Як рослини використовують явище дифузії. Дифузія грає величезну роль у природі, у побуті людини та в техніці. Дифузійні процеси можуть як позитивний, і негативний вплив на життєдіяльність людини і тварин. Гази та дифузія

Серед численних явищ у фізиці процес дифузії належить до одним із найпростіших і зрозуміліших. Адже щоранку, готуючи собі ароматний чай чи каву, людина має можливість спостерігати цю реакцію практично. Давайте дізнаємося більше про цей процес та умови його протікання в різних агрегатних станах.

Що таке дифузія

Цим словом називається проникнення молекул чи атомів однієї речовини між аналогічними структурними одиницями іншого. При цьому концентрація проникаючих сполук вирівнюється.

Вперше цей процес був докладно описаний німецьким ученим Адольфом Фіком у 1855 році.

Назва цього терміна була утворена від латинського diffusio (взаємодія, розсіювання, поширення).

Дифузія у рідині

Розглянутий процес може відбуватися з речовинами у всіх трьох агрегатних станах: газоподібному, рідкому та твердому. Щоб знайти практичні прикладицього варто просто зазирнути на кухню.

Борщ, що вариться на плиті, - це один з них. Під дією температури молекули глюкозинбетаніну (речовини, завдяки якому буряк має таким насиченим яскраво-червоним кольором) рівномірно реагують з молекулами води, надаючи їй неповторний бордовий відтінок. Даний випадок – це у рідинах.

Крім борщу цей процес можна побачити і в склянці чаю або кави. Обидва ці напої мають настільки рівномірний насичений відтінок завдяки тому, що заварка або частинки кави, розчиняючись у воді, рівномірно поширюються між молекулами, забарвлюючи її. На цьому принципі побудовано дію всіх популярних розчинних напоїв дев'яностих: Yupi, Invite, Zuko.

Взаємопроникнення газів

Атоми і молекули, що переносять запах, перебувають у активному русі і внаслідок нього перемішуються з частинками, вже які у повітрі, і досить рівномірно розсіюються обсягом приміщення.

Це прояв дифузії у газах. Варто відзначити, що саме вдихання повітря теж відноситься до процесу, що розглядається, як і апетитний запах свіжоприготовленого борщу на кухні.

Дифузія у твердих тілах

Кухонний стіл, на якому стоять квіти, застелений скатертиною яскравого жовтого кольору. Подібний відтінок вона набула завдяки здатності дифузії проходити у твердих тілах.

Сам процес надання полотну якогось рівномірного відтінку проходить у кілька етапів в такий спосіб.

Частинки жовтого пігменту дифундували в фарбувальній ємності у напрямку до волокнистого матеріалу.
Далі вони були ввібрані зовнішньою поверхнею тканини, що фарбується.
Наступним кроком була знову дифузія барвника, але цього разу вже всередину волокон полотна.
У фіналі тканина зафіксувала частинки пігменту, таким чином забарвивши.

Дифундування газів у металах

Зазвичай, говорячи про цей процес, розглядають взаємодії речовин у однакових агрегатних станах. Наприклад, дифузія у твердих тілах, твердих речовинах. Для доказу цього явища проводиться досвід із двома притиснутими один до одного металевими пластинами (золото та свинець). Взаємопроникнення молекул відбувається досить довго (один міліметр за п'ять років). Цей процес використовується виготовлення незвичайних прикрас.

Однак дифундувати здатні і з'єднання різних агрегатних станах. Наприклад, існує дифузія газів у жорстких тілах.

У процесі експериментів було доведено, що цей процес протікає в атомарному стані. Для його активації, як правило, потрібне значно підвищення температури та тиску.

Прикладом такої газової дифузії у твердих тілах є воднева корозія. Вона проявляється у ситуаціях, коли які виникли у процесі будь-якої хімічної реакції атоми водню (Н 2) під впливом високих температур (від 200 до 650 градусів Цельсія) проникають між структурними частинками металу.

Крім водню, у твердих тілах дифузія кисню та інших газів також здатна відбуватися. Цей непомітний оку процес приносить чимало шкоди, адже через нього можуть руйнуватися металеві споруди.

Дифундування рідин у металах

Однак не тільки молекули газів можуть проникати у тверді тіла, а й рідин. Як і у випадку з воднем, найчастіше такий процес призводить до корозії (якщо йдеться про метали).

Класичним прикладом дифузії рідини у твердих тілах є корозія металів під впливом води (Н2О) або розчинів електролітів. Для більшості цей процес більш знайомий під назвою іржавіння. На відміну від водневої корозії, практично з ним доводиться стикатися значно частіше.

Умови прискорення дифузії. Коефіцієнт дифузії

Розібравшись з тим, у яких речовинах може відбуватися аналізований процес, варто дізнатися про умови його протікання.

Насамперед швидкість дифузії залежить від цього, у якому агрегатному стані перебувають взаємодіючі речовини. Чим більше в якому відбувається реакція, тим повільніше її швидкість.

У зв'язку з цим дифузія в рідинах і газах завжди проходитиме активніше, ніж у твердих тілах.

Наприклад, якщо кристали перманганату калію KMnO 4 (марганцівка) кинути у воду, вони протягом кількох хвилин додадуть їй гарного малинового кольору. Однак якщо посипати кристалами KMnO 4 шматочок льоду і покласти все це в морозилку, через кілька годин перманганат калію так і не зможе повноцінно пофарбувати заморожену Н 2 О.

З попереднього прикладу можна зробити ще один висновок про умови дифузії. Крім агрегатного стану, швидкість взаємопроникнення частинок впливає також і температура.

Щоб розглянути залежність від процесу, що розглядається, варто дізнатися про таке поняття, як коефіцієнт дифузії. Так називається кількісна характеристика її швидкості.

У більшості формул вона позначається за допомогою великої латинської літери D і в системі СІ вимірюється квадратних метрах на секунду (м²/с), іноді - сантиметрах за секунду (см 2 /м).

Коефіцієнт дифузії дорівнює кількості речовини, що розсіюється через одиницю поверхні протягом одиниці часу, за умови, що різницю щільностей на обох поверхнях (розташованих на відстані рівній одиниці довжини) дорівнює одиниці. Критерії, що визначають D, - це властивості речовини, в якій відбувається сам процес розсіювання частинок, та їх тип.

Залежність коефіцієнта від температури можна описати за допомогою рівняння Арреніуса: D = D0exp (-E/TR).

У розглянутій формулі Е – мінімальна енергія, необхідна для активації процесу; Т – температура (вимірюється за Кельвіном, а не Цельсієм); R – постійна газова, характерна для ідеального газу.

Крім всього вищезгаданого, на швидкість дифузії в твердих тілах, рідини в газах впливає тиск і випромінювання (індукційне або високочастотне). Крім того, багато що залежить від наявності каталізуючої речовини, часто саме вона виступає в ролі пускового механізму для початку активного розсіювання частинок.

Рівняння дифузії

Дане явище - окремий вид рівняння диференціального при приватних похідних.

Його мета - знайти залежність концентрації речовини від розмірів і координат простору (у якому вона дифундує), а також часу. При цьому заданий коефіцієнт характеризує проникність середовища реакції.

Найчастіше рівняння дифузії записують так: ∂φ (r,t)/∂t = ∇ x .

У ньому φ (t і r) — щільність речовини, що розсіюється, в точці r під час t. D (φ, r) - дифузії узагальнений коефіцієнт при щільності φ у точці r.

∇ — векторний диференціальний оператор, компоненти якого за координатами належать до приватних похідних.

Коли коефіцієнт дифузії залежить від щільності, рівняння є нелінійним. Коли ні – лінійним.

Розглянувши визначення дифузії та особливості даного процесу у різних середовищах, можна назвати, що він має як позитивні, і негативні боку.

МУНІЦИПАЛЬНИЙ АВТОНОМНИЙ ЗАГАЛЬНООСВІТНИЙ ЗАКЛАД БІЛОЯРСЬКОГО РАЙОНУ

«ЗАГАЛЬНООСВІТНЯ СЕРЕДНЯ ШКОЛА № 3 м. БІЛОЯРСЬКИЙ»

Дослідницький проект
на тему
«Роль дифузії у нашому житті»

Виконав:

учень 7в класу

Миколаїв Олег

Керівник:

Тіньгаєва М.А.

м.Білоярський, 2015р.

I . Вступ

1.1.Визначення дифузії

1.2.Історія відкриття
ІІ. Явище дифузії, його суть

2.1.Опис процесу дифузії

2.2.Пояснення явища дифузії

2.3.Закономірності перебігу дифузії
ІІІ. Значення дифузії

3.1.Роль дифузія у природі.

3.2.Роль дифузії в отриманні розчинів.

3.3.Дифузія та безпека людини.
3.4.Застосування дифузії у медицині. Апарат «штучна нирка»

3.5.Осмос. Практичне застосування осмосу

3.6.Застосування дифузії в техніці та у повсякденному житті

3.7.Шкідливий прояв дифузії IV. Практична частина

V. Висновок
VI. Список використаної літератури

Вступ

У нашому повсякденному житті іноді не помічаємо деяких фізичних явищ. Наприклад, хтось відкрив флакон із духами, і ми, навіть перебуваючи на великій відстані, відчуємо цей запах. Піднімаючись сходами до своєї квартири, ми можемо відчути запах їжі, приготовленої вдома. Ми опускаємо у склянку з гарячою водою пакетик із заваркою для приготування чаю, і навіть не помічаємо, як заварювання фарбує всю воду у чашці.
Отже, мова підепро дифузію.

Дифузія(Лат. diffusio – поширення, розтікання, розсіювання, взаємодія) – явище, при якому відбувається взаємне проникнення молекул однієї речовини між молекулами іншої.

Мета роботи:
1. вивчення процесу дифузії

2. пояснення її значимості у житті

3. спостереження її проявів
4. опис корисних та шкідливих властивостей
5. опис значимості цього процесу у нашому житті

Завдання роботи:
1.розширити наші знання
2. пояснити процес дифузії
3. довести існування цього процесу
4. розповісти у тому, де можемо спостерігати дифузію
5. Виявити властивості дифузії.

Значимість роботи:
Практична значимість даної дослідницької роботи у тому, що отримані результати допоможуть у вивченні цієї теми у шкільництві, приверне більше уваги школярів до цього фізичного процесу.

Відкриття дифузії.

У 1827 році Броун проводив дослідження пилку рослин. Він, зокрема, цікавився, як пилок бере участь у процесі запліднення. Якось він розглядав під мікроскопом виділені з клітин пилку північноамериканської рослини Clarkia pulchella(кларкії хорошої) зважені у воді подовжені цитоплазматичні зерна. Несподівано Броун побачив, що дрібні тверді крупинки, які ледь можна було розгледіти в краплі води, безперервно тремтять і пересуваються з місця на місце. Він встановив, що ці рухи, за його словами, «не пов'язані ні з потоками рідини, ні з її поступовим випаром, а властиві самим частинкам».

Спостереження Броуна підтвердили інші вчені. Найдрібніші частинки поводилися, як живі, причому «танець» частинок прискорювався з підвищенням температури та зі зменшенням розміру частинок і явно сповільнювався при заміні води більш в'язким середовищем. Це дивовижне явище ніколи не припинялося: його можна було спостерігати скільки завгодно довго. Спочатку Броун подумав навіть, що в поле мікроскопа дійсно потрапили живі істоти, тим більше що пилок – це чоловічі статеві клітини рослин, однак так само вели частинки з мертвих рослин, навіть із засушених за сто років до цього у гербаріях. Тоді Броун подумав, чи це не є «елементарні молекули живих істот», про які говорив знаменитий французький дослідник природи Жорж Бюффон (1707–1788), автор 36-томної Природна історія. Це відпало, коли Броун почав досліджувати явно неживі об'єкти; спочатку це були дуже дрібні частинки вугілля, а також сажі та пилу лондонського повітря, потім тонко розтерті неорганічні речовини: скло, безліч різних мінералів. «Активні молекули» виявилися повсюди: «У кожному мінералі, – писав Броун, – який мені вдавалося подрібнити в пилюку настільки, щоб вона могла протягом якогось часу бути зваженою у воді, я знаходив, у більших чи менших кількостях, ці молекули».

Треба сказати, що Броун не мав якихось нових мікроскопів. У своїй статті він спеціально підкреслює, що у нього були звичайні двоопуклі лінзи, якими він користувався протягом декількох років. І далі пише: «У ході всього дослідження я продовжував використовувати ті ж лінзи, з якими почав роботу, щоб надати більше переконливості моїм твердженням і щоб зробити їх якомога доступнішими для звичайних спостережень».

Явище дифузії, його суть

Як ми знаємо, молекули будь-якої речовини знаходяться на деякій відстані одна від одної і безперервно хаотично рухаються. Саме тому окремі молекули, наприклад, аміаку, хаотично переміщаючись, проникають у проміжки між молекулами повітря, стикаються з ними і, таким чином, переміщаються все далі й далі від джерела, тобто. від відкритої пробірки з аміаком.Цей рух має безперервний і безладний характер. Зіткнувшись з молекулами газів, що входять до складу повітря, молекули аміаку багато разів змінюють напрямок свого руху і, безладно переміщаючись, розлітаються по всій кімнаті. Це є явище дифузії.

Дифузія в газах і рідинах відбувається легше і швидше, ніж дифузія в твердих тілах, так як молекули в газах і рідинах, відповідно, рухаються вільніше, і відстань між ними більша, ніж у твердому тілі.
Рухи частинок при дифузії абсолютно випадкові, всі напрями усунення рівноймовірні.
Оскільки частки рухаються й у газах, й у рідинах, й у твердих тілах, то цих речовинах можлива дифузія. Дифузія – перенесення речовини, зумовлене мимовільним вирівнюванням неоднорідної концентрації атомів чи молекул різного виду. Якщо в посудину впустити порції різних газів, то через деякий час всі гази рівномірно перемішуються: число молекул кожного виду в одиниці обсягу посудини стане постійним, концентрація вирівнюється.

Дифузія пояснюється так. Спочатку між двома тілами чітко видно межу розділу двох середовищ. Потім, внаслідок свого руху, окремі частинки речовин, що знаходяться біля кордону, обмінюються місцями.

Кордон між речовинами розпливається. Проникнувши між частинками іншої речовини, частки першої починають обмінюватися місцями з частинками другого, що знаходяться у більш глибоких шарах. Кордон розділу речовин стає ще більш розпливчастим. Завдяки безперервному та безладному руху частинок цей процес призводить врешті-решт до того, що розчин у посудині стає однорідним.
Швидкість дифузіїзростає зі збільшенням температури.
Звернемося до досвіду.У двох склянках налита вода, але в одній холодна, а в другій – гаряча. Опустимо одночасно у склянки пакетики із чаєм. Неважко помітити, що у гарячій воді чай швидше забарвлює воду, дифузія протікає швидше. Швидкість дифузії збільшується зі зростанням температури, оскільки молекули тіл, що взаємодіють, починають рухатися швидше.

Найбільш швидко дифузія відбувається в газах, повільніше в рідинах і найповільніше в твердих тілах. Справа в тому, що в газах і рідинах основний вид теплового руху частинок призводить до їх перемішування, а в твердих тілах, кристалах, де атоми здійснюють малі коливання біля положення вузла грати, немає.

Роль дифузії у природі

Явище дифузії грає велику роль природі. Так, наприклад, завдяки дифузії підтримується однорідний склад атмосферного повітря поблизу Землі. Дерева виділяють кисень та поглинають вуглекислий газза допомогою дифузії. Коріння рослин захоплюють необхідні для рослини речовини із ґрунтових вод завдяки дифузійному потоку всередину коріння. На явище дифузії засновані багато фізіологічних процесів, що відбуваються в організмі людини: такі як дихання, всмоктування поживних речовин у кишечнику та ін.
За допомогою дифузії відбувається поширення різних газоподібних речовин у повітрі: наприклад, дим багаття поширюється на великі відстані.
Результатом цього явища можливо вирівнювання температури в приміщенні при провітрюванні. Так само відбувається забруднення повітря шкідливими продуктами промислового виробництва та вихлопними газами автомобілів. Природний горючий газ, яким ми користуємося вдома, немає ні кольору, ні запаху. При витоку помітити його неможливо, тому на розподільних станціях газ змішують з особливою речовиною, що має різкий, неприємний запах, який легко відчувається людиною.

Завдяки явищу дифузії нижній шар атмосфери – тропосфера – складається із суміші газів: азоту, кисню, вуглекислого газу та пари води. За відсутності дифузії відбулося б розшарування під впливом сили тяжкості: унизу виявився б шар важкого вуглекислого газу, з нього – кисень, вище – азот інертні гази.

У небі ми також спостерігаємо це. Хмари, що розсіюються - теж приклад дифузії і як точно про це сказано у Ф.Тютчева: «У небі тануть хмари ...»

У рідинах дифузія протікає повільніше, ніж у газах, але цей процес можна прискорити за допомогою нагрівання. Наприклад, щоб швидше засолити огірки, їх заливають гарячим розсолом. Ми знаємо, що в холодному чаї цукор розчиниться повільніше, ніж у гарячому.

Влітку, спостерігаючи за мурахами, ми завжди замислювалися над тим, як вони у величезному для них світі, пізнають дорогу додому. Виявляється, і цю загадку відкриває явище дифузії. Мурахи позначають свій шлях крапельками пахучої рідини

Завдяки дифузії комахи знаходять собі їжу. Метелики, пурхаючи між рослинами, завжди знаходять дорогу до красивій квітці. Бджоли, виявивши солодкий об'єкт, штурмують його своїм роєм.

А рослина росте, цвіте для них також завдяки дифузії. Адже ми говоримо, що рослина дихає та видихає повітря, п'є воду, отримує з ґрунту різні мікродобавки.

Плотоядні тварини знаходять своїх жертв також завдяки дифузії. Акули відчувають запах крові з відривом кількох кілометрів, як і риби пираньи.

Екологія довкілля погіршується рахунок викидів в атмосферу, у воду хімічних та інших шкідливих речовин, і це все поширюється і забруднює величезні території. А ось дерева виділяють кисень та поглинають вуглекислий газ за допомогою дифузії.
На принципі дифузії засноване перемішування прісної води із солоною при впаданні річок у моря. Дифузія розчинів різних солей у ґрунті сприяє нормальному живленню рослин.

У всіх наведених прикладах спостерігаємо взаємне проникнення молекул речовин, тобто. дифузію. На цьому процесі засновані багато фізіологічних процесів в організмі людини і тварин: такі як дихання, всмоктування та ін. Загалом дифузія має велике значення в природі, але це явище також шкідливе щодо забруднення навколишнього середовища.

Роль дифузії у отриманні розчинів.

Фізична теорія розчинів була запропонована В. Оствальдом (Німеччина) та С. Арреніусом (Швеція). Відповідно до цієї теорії частинки розчинника та розчиненої речовини (молекули, іони) рівномірно розподіляються по всьому об'єму розчину внаслідок процесів дифузії. При цьому між розчинником та розчиненою речовиною відсутня хімічна взаємодія.
Тобтопроцеси дифузії у газах, рідких гелях широко застосовуються у хімії. Наприклад, для одержання розчинів, для збагачення повітря киснем у металургійній промисловості. Дифузія лежить в основі багатьох технологічних процесів: адсорбції, сушіння, екстрагування, мембранних методів поділу сумішей та ін.

Дифузія та безпека людини

Застосування дифузії у медицині. Апарат «штучна нирка»

Більше 30 років тому німецький лікар Вільям Кольф застосував апарат «штучна нирка». З того часу він застосовується: для невідкладної хронічної допомоги при гострій інтоксикації; для підготовки хворих із хронічною нирковою недостатністю до трансплантації нирок; для тривалого (10-15 років) життєзабезпечення хворих із хронічним захворюванням нирок.
Штучна нирка - це апарат, призначений для виведення з крові людини токсинів, що накопичуються у нирках при їх тяжкому ураженні - зазвичай це хронічна та гостра форми недостатності нирок.

Робота апарату ґрунтується на принципах діалізу – це виведення низькомолекулярних речовин з колоїдних розчинів завдяки дифузії та різниці між осмотичним тиском з двох сторін целофанової напівпроникної мембрани.

Гемодіаліз – це найпопулярніший метод проведення лікування занедбаних форм недостатності нирок. Така процедура дозволяє людині продовжувати активний спосіб життя, незважаючи на неповноцінну роботу нирок.

Застосування дифузії у техніці.

Явлення дифузіїшироко використовуються у техніці. Наприклад, при вилученні цукру з буряка останні дрібно нарізають і поміщають у спеціальні металеві судини (дифузори), через які проходить струм гарячої води. Цукор, що знаходиться в буряках, дифундує при цьому в воду, що протікає. З одержаного розчину виділяють кристалічний цукор.

Застосування у повсякденному житті.

Явище дифузії можна спостерігати вдома досить часто: коли користуємося аромолампою з ефірними оліями чи спреями для тіла чи для ніг, парфумами, розпорошуємо засоби для знищення у приміщенні комарів та мух, коли щось склеюємо або коли п'ємо чай чи каву. У кухлі чай із цукром та шматочком лимона. Ми перемішуємо ложечкою гарячу воду – це прискорює процес проникнення молекул цукру та лимона між молекулами води. Також засолювання, маринування, компоти – це все також завдяки дифузії.

Шкідливий прояв дифузії.

Не завжди дифузія благо для людини. На жаль, слід зазначити і шкідливі прояви цього явища. Димові труби підприємств викидають в атмосферу вуглекислий газ, оксиди азоту та сірки. На даний час загальна кількість емісії газів в атмосферу перевищує 40 мільярдів тонн на рік. Надлишок вуглекислого газу в атмосфері небезпечний для живого світу Землі, порушує кругообіг вуглецю в природі, призводить до утворення кислотних дощів. Процес дифузії відіграє велику роль у забрудненні річок, морів та океанів. Річний скидання виробничих та побутових стоків у світі дорівнює приблизно 10 трильйонів тонн.
Забруднення водойм призводить до того, що в них зникає життя, а воду, що використовується для пиття, доводиться очищати, що дуже дорого. Крім того, у забрудненій воді відбуваються хімічні реакції із виділенням тепла. Температура води підвищується, причому знижується вміст кисню у воді, що погано для водних організмів. Через підвищення температури води багато річок тепер взимку не замерзають.
Для зниження викиду шкідливих газів із промислових труб, труб теплових електростанцій встановлюють спеціальні фільтри. Для попередження забруднення водойм необхідно слідкувати за тим, щоб поблизу берегів не викидалося сміття, харчові відходи, гній, різноманітні хімікати.
Ми бачимо, наскільки велике значення дифузії в неживій природі, а існування живих організмів було б неможливим, якби не було цього явища. На жаль, доводиться боротися з негативним проявом цього явища, але позитивних чинників набагато більше і тому говоримо про величезне значення дифузії в природі.

Практична частина

Досвід №1Спостереження явища дифузії у рідині.

Ціль:спостереження дифузії у рідині, вплив температури на перебіг дифузії.
Прилади та матеріали: склянка з холодною водою, розчин «зеленки», тарілка з гарячою водою, піпетка.

а) у склянку з водою крапли «зеленку» і поспостерігали, як відбувається процес дифузії;
б) провели цей же досвід, поставивши склянку з водою у тарілку з гарячою водою, процес відбувся набагато швидше, ніж у першому випадку

Висновок: провівши досвід, ми виявили, що дифузія спостерігається в рідинах та зі збільшенням температури швидкість даного процесу збільшується.

Досвід №2Спостереження явища дифузії у газах.

Ціль:спостереження дифузії у газах.
Прилади та матеріали:флакон парфумів з пульверизатором, повітря.
Опис досвіду та отримані результати:
а) розбризкуємо духи;
б) розповсюдження запаху по всій кімнаті.
Висновок: провівши досвід, ми виявили, що дифузія спостерігається у газах

Досвід №3Спостереження явища дифузії у твердих тілах.

Ціль:спостереження дифузії у твердих тілах.
Прилади та матеріали:яблуко, розчин зеленки, піпетка.
Опис досвіду та отримані результати:
а) розрізаємо яблуко, "капаємо зеленкою" на одну половинку яблука
б) спостерігаємо, як пляма розпливається поверхнею.
Висновок:в ході цього досвіду ми поспостерігали дифузію в твердих тілах, помітили, що цей процес протікає в твердих тілах набагато повільніше, ніж у газах та рідинах.

Висновок

У результаті даної роботи можна дійти невтішного висновку у тому, що дифузія грає величезну роль життя людини і тварин.

Природа широко використовує можливості, закладені у процесі дифузійного проникнення. Дифузія грає найважливішу роль у поглинанні харчування та насиченні киснем крові, у повітрі яким ми дихаємо, усюди бачимо прояв всемогутньої та універсальної дифузії.

Вивчаючи дифузію, ми прийшли до висновку, що вона присутня у всіх сферах життєдіяльності людини, без цього явища життя на Землі було б неможливим.

Список використаної літератури
1. Перишкін А.В. фізика. 7 кл. - 14-те вид., стереотип. - М.: Дрофа, 2010.
2.Кошкін І.І, Ширкевич М.Г. Довідник з елементарної фізики. - М: Наука, 1980.
3. Трофімова Т.І. Курс фізики. - М: Вища школа, 1990.
4. Яворський Б.М, Детлаф А.А Довідник із фізики. - М: Наука, 1985.
5. Шаталов В.Ф. Фізика протягом усього життя. М.-СПб, 2003.
6. О. Ф. Кабардін, С. І. Кабардіна. Фізика 7 клас. М., 2011.
7. Н. К. Мартинова, Фізика 7-9. М., 2011.

Мета уроку:

сформувати у учнів уявлення про явище дифузії;
показати значення явища дифузії у природі, техніці та побуті.
допомогти усвідомити масштаби шкоди куріння для здоров'я людини та навколишнього середовища за допомогою фізичних явищ та закономірностей;
переконати учнів у необхідності здорового образужиття;

Завдання:

Освітні:Сформувати:

уявлення про дифузію, як про явище змішування речовин, внаслідок руху молекул.
уявлення про те, що дифузія спостерігається у твердому, рідкому та газоподібному станах речовини;
уявлення про значення дифузії у природі, у побуті.

Розвиваючі:

вивчати логічно правильно висловлювати свої думки засобом фізико-математичної мови;
формувати вміння спостерігати;
розвивати вміння аналізувати хід експерименту, з його основі проводити порівняння, виділяти головне, формулювати логічні висновки;
розвивати здібності працювати у високому темпі.

Виховні:

формувати вміння використовувати теоретичні знання розуміння сутності явищ що у природі, у побуті.
підвищувати рівень екологічного та естетичного виховання учнів.

Обладнання для уроку:чашки Петрі, перманганат калію, пінцети, пластикові склянки, кава, холодна та тепла вода.

Комп'ютери.

Хід уроку

1. Організаційний момент.

Готовність до уроку.

2. Формулювання мети уроку.

Сьогодні ми дізнаємося про дуже цікаве і важливе явище в нашому житті, пов'язане з молекулярною будовою речовини. Явище, з яким ми познайомимося, грає дуже велику роль у живій і неживій природі, у побуті, дізнаємося, чи пов'язане наше здоров'я з поняттям дифузія і як? Це явище ми з вами зустрічаємо на кожному кроці, щодня, не замислюючись про це. А називається це явище "Дифузія".

Відкрийте зошити, запишемо тему та дату уроку.

3. Актуалізація опорних знань.

Згадаймо, що ви вже дізналися про будову речовин на минулих уроках.

Проводиться фронтальне опитування:

Коли виникли перші припущення про будову речовини?

Які досліди підтверджують, що речовини складаються з окремих частинок?

Як змінюється обсяг тіла за зміни відстані між частинками?

Що таке молекула?

Що ви знаєте про розмір молекул?

З яких частинок складаються молекули?

Чи однакові молекули однієї й тієї ж речовини? Різні речовини?

4. Новий матеріал

1) Поняття дифузії.

Вчитель: (зачитує уривок із твору Володимира Солоухіна) "Третє полювання".

Про часник.

Багато разів я зустрічав у книгах згадку про часниковий гриб, або, простіше, про часник. Говорилося, що цей гриб має запах часнику і що з нього можна готувати різні приправи та соуси до м'ясних страв.

…Механічно зіщипнув я один грибочок, механічно розтер між пальцями, і раптом виразний міцний запах свіжого часнику хмарою розплився між мокрими ялинками, що пахли смолою та хвоєю. Це було так несподівано… З кошика пахло так, ніби там не гриби, а потовчений часник…

…Цього дня я прийшов додому з надзвичайною здобиччю. Страшно було класти гриби на сковорідку. Але всупереч очікуванням вийшла дуже гостра і запашна страва.

Після прочитання уривка задається питання: Як ви вважаєте, чому вся їжа пахне часником?

З припущень та відповідей учнів вчитель робить уточнення: Молекули речовин рухаються та проникають між один одним.

Дається визначення дифузії:

Явище, у якому відбувається взаємне проникнення молекул однієї речовини між молекулами іншого, називається дифузією.

2) причини та закономірності дифузії.

Давайте розглянемо дифузію у газах. Проведемо експеримент. Розпорошуємо в класі дезодорант.

Хлопці, чи ви відчули запах дезодоранту?

Чому можливе поширення запахів у просторі?

Розповсюдження запахів можливе завдяки руху молекул речовин. Цей рух має безперервний і безладний характер. Зіткнувшись з молекулами газів, що входять до складу повітря, молекули дезодоранту багато разів змінюють напрямок свого руху і, безладно переміщуючись, розлітаються по всій кімнаті.

Зробіть, будь ласка, висновок причин дифузії.

Причина дифузії: молекули речовини перебувають у безперервному та безладному русі.

Давайте запишемо це твердження у зошит.

Ми спостерігали процес дифузії у газах. А чи можлива дифузія у рідинах?

На ваших столах стоять чашки Петрі із водою. Киньте кілька кристаликів перманганату калію у воду. Не забуваємо про техніку безпеки: уникайте контакту шкіри та слизових оболонок з кристалами перманганату калію.

Що ви бачите?

Чи швидко розчиняються кристалики марганцівки? Чому?

Завдяки чому відбувається розчинення кристаликів марганцівки у воді?

Чи можливий процес дифузії у твердих тілах?

Наведу приклад. Якщо відшліфовані пластини свинцю і золота покласти одна на одну і стиснути вантажем, то при звичайній кімнатній температурі (близько 20 ° С) за 5 років золото і свинець взаємно проникнуть одна в одну на відстань близько 1 мм.

Який висновок можна зробити за наведеним прикладом?

Дифузія у твердих тілах відбувається надзвичайно повільно.

Як ви вважаєте, чому?

Давайте подивимося як протікає дифузія у твердих тілах у природі.

Який висновок можна зробити за результатами розгляду дифузії у газах, рідинах та твердих тілах?

Молекули речовин що у будь-якому агрегатному стані, безперервно рухаються, тобто. дифузія відбувається й у газах, й у рідинах, й у твердих тілах.

А що можна сказати про швидкість протікання дифузії у різних агрегатних станах речовини?

Молекули газів вільні, тому що відстань між молекулами значно більша за розміри молекул, що рухаються з великими швидкостями. Молекули рідин розташовані так само безладно, як і в газах, але значно щільніше один до одного і тому взаємодіють один з одним сильніше, ніж у газах. Кожна молекула, перебуваючи серед сусідніх молекул, ніби тупцює одному місці і повільно переміщається всередині рідини. Молекули твердих речовин розташовані в строгому порядку, утворюючи просторові ґрати, чим забезпечується збереження форми та об'єму твердого тіла. Частинки твердого тіла роблять коливання при становищі рівноваги, яке залишається постійним дуже тривалий час. Найбільш швидко дифузія відбувається в газах, повільніше в рідинах і найповільніше в твердих тілах.

Таким чином, ми познайомилися з однією із закономірностей дифузії:

1. Дифузія протікає в речовинах, що у різних агрегатних станах, але з різною швидкістю. Найбільш швидко дифузія відбувається в газах, повільніше в рідинах і найповільніше в твердих тілах.

Запишіть це твердження в зошит.

Проведемо ще один досвід:

У дві однакові склянки налийте однакову кількість води, але різної температури . Пам'ятайте про техніку безпеки.

Киньте у склянки кілька крупинок розчинної кави. Поспостерігаєте, що відбувається.

Чи має місце явище дифузії? Чому?

Що ви можете сказати про швидкість протікання дифузії у склянці з холодною водою та теплою водою?

Швидкість дифузії збільшується зі зростанням температури, оскільки молекули тіл, що взаємодіють, починають рухатися швидше.

Процес дифузії проходить швидше зі збільшенням температури тіл.

Запишіть це твердження у зошит.

3. Застосування дифузії.

Повідомлення учнів:

1. Роль дифузії у травленні та диханні людини . (Кривоносова А)

Презентації:

1. « Роль дифузії у травленні та диханні людини»

Процес всмоктування поживних речовин у кишечнику можливий завдяки дифузії.

А як же дихає людина? У людини в диханні бере участь вся поверхня тіла - від товстого епідермісу п'ят до покритої волоссям шкіри голови. Особливо інтенсивно дихає шкіра на грудях, спині та животі. Цікаво, що з інтенсивності дихання ці ділянки шкіри значно перевершують легкі. З однакової за розміром дихальної поверхні тут може поглинатися кисню на 28%, а виділятися вуглекислого газу навіть на 54% більше, ніж у легенях. Однак у всьому дихальному процесі участь шкіри мізерна в порівнянні з легенями, тому що загальна площа поверхні легень, якщо розгорнути всі 700 млн. альвеол, мікроскопічних бульбашок, через стінки яких відбувається газообмін між повітрям та кров'ю, становить близько 90-100 квадратних метрів, а загальна площа поверхні шкіри людини близько 2 квадратних метрів, тобто у 45-50 разів менша.

Завдяки дифузії кисень з легенів проникає в кров людини, а з крові - в тканини.

2. Застосування дифузії у медицині. Апарат «штучна нирка»

Застосування апарату «штучна нирка» стає більшою мірою терапевтичною процедурою, апарат застосовується як у клініці, так і в домашніх умовах. За допомогою апарату проводилася підготовка реципієнта до першої у світі успішної трансплантації нирки, проведеної 1965 р. академіком Б.В. Петровським.

Апарат є гемодіалізатором, в якому кров стикається через напівпроникну мембрану з сольовим розчином. Внаслідок різниці осмотичних тисків з крові в сольовий розчин крізь мембрану проходять іони та молекули продуктів обміну (сечовина, сечова кислота), а також різні токсичні речовини, що підлягають видаленню з організму. Апарат є системою з плоских каналів, розділених тонкими целофановими мембранами, за якими зустрічними потоками повільно рухаються кров і діалізат – сольовий розчин, збагачений газовою сумішшю CO2 + О2 Апарат підключається до кровоносної системи хворого. Цим досягається очищення крові від азотистих шлаків за недостатньої функції нирок, тобто. здійснюється регулювання хімічного складу крові.

3. Шкідливий прояв дифузії (Рідкозубов А)

Презентація «Шкідливий прояв дифузії»

Димові труби підприємств викидають в атмосферу вуглекислий газ, оксиди азоту та сірки. Надлишок вуглекислого газу в атмосфері небезпечний для живого світу Землі, порушує кругообіг вуглецю в природі, призводить до утворення кислотних дощів. Процес дифузії відіграє велику роль у забрудненні річок, морів та океанів. Річний скидання виробничих та побутових стоків у світі дорівнює приблизно 10 трильйонів тонн.

Забруднення водойм призводить до того, що в них зникає життя, а воду, що використовується для пиття, доводиться очищати, що дуже дорого. Крім того, у забрудненій воді відбуваються хімічні реакції із виділенням тепла. Температура води підвищується, причому знижується вміст кисню у воді, що погано для водних організмів. Через підвищення температури води багато річок тепер взимку не замерзають.

Для зниження викиду шкідливих газів із промислових труб, труб теплових електростанцій встановлюють спеціальні фільтри. Для попередження забруднення водойм необхідно слідкувати за тим, щоб поблизу берегів не викидалося сміття, харчові відходи, гній, різноманітні хімікати.

Курці щорічно "викурюють", тобто викидають в атмосферу 720 тонн синильної кислоти, 384000 тонн аміаку, 108000 тонн нікотину, 600000 тонн дьогтю і більше 550000 тонн чадного газу. окутуючи Землю, затримує ультрафіолетові промені.У середньому 25% всіх видів речовин, що містяться в тютюні, згоряє і руйнується в процесі куріння; навколишнє середовище; 20% потрапляє в організм курця і лише 5% залишається у фільтрі сигарети.

Температура тютюнового диму на 35-40 градусів вище за температуру повітря, що надходить у рот при курінні, що викликає в роті досить різкий перепад температур. Під час куріння однієї сигарети відбувається 15-20 таких перепадів, що погано відбивається на стані зубної емалі: вона тріскається. Ось тому зуби курців руйнуються раніше, ніж зуби курців. У газовій фракції тютюнового диму знаходиться газоподібний дьоготь, який при охолодженні перетворюється на рідкий стан, тобто. конденсується. При цьому він осідає на пальцях рук, зубах, стінках повітроносних шляхів, легень, потрапляє в шлунок. При викурюванні однієї пачки цигарок курець виробляє близько 1 грами рідкого дьогтю

Вчитель: (висновок)

Ми бачимо, наскільки велике значення дифузії в неживій природі, а існування живих організмів було б неможливим, якби не було цього явища. На жаль, доводиться боротися з негативним проявом цього явища, але позитивних чинників набагато більше і тому говоримо про величезне значення дифузії в природі.

5. Закріплення

ТестРоздрукований на аркушах для кожного (5 хв)

1. Яке з наведених нижче тверджень є вірним?

А) лише гази складаються з молекул

Б) лише рідини складаються з молекул

В) всі тіла складаються з молекул

2. У яких тілах дифузія, за однакових температур, відбувається швидше?

А) у газах

Б) у рідинах

В) у твердих тілах

3. Що доводить процес дифузії?

А) що молекули взаємодіють між собою

Б) що молекули складаються з атомів

В) що молекули безперервно хаотично рухаються

4. Як залежить швидкість перебігу дифузії від температури?

а) не залежить

Б) чим нижча температура речовини, тим менша швидкість

В) чим вища температура речовини, тим менша швидкість

5. Яке явище доводить рух молекул речовин

А) броунівський рух

Б) механічний рух

В) серед відповідей немає вірної

6. Домашнє завдання: параграф 9, завдання №2.

Для допитливих – параграф 1 на сторінці 172.

Опис презентації з окремих слайдів:

1 слайд

Опис слайду:

МБОУ «Середня загальноосвітня школа№11» «Дифузія в природі та в житті людини» м.Балахна 2017р. Роботу виконала: Лянгузова Віра, учениця 7а кл. Керівник: Семенова В.З., учитель фізики

2 слайд

Опис слайду:

Об'єкт дослідження: явище дифузії. Предмет дослідження: вплив явища дифузія на процеси, що протікають у природі, та процеси, пов'язані з життєдіяльністю людини. Мета: Дослідити особливості дифузії у різних агрегатних станах, розглянути застосування дифузії людиною та прояв її у природі, а також з'ясувати екологічні аспекти дифузії. Завдання: 1. Вивчити матеріал про роль дифузії у природі та життєдіяльності людини. 2. Провести деякі досліди, що характеризують закономірності перебігу дифузії. 3. Проаналізувати отриману інформацію про явище дифузії, і навіть визначити ступінь значимості цього явища для рослин, тварин, людини. Методи: - Збір, обробка, аналіз інформації про значущість явища дифузії в рослинному середовищі та світі тварин. - Проведення експериментів з дифузії.

3 слайд

Опис слайду:

Актуальність обраної теми Дифузія широко поширена у світі флори та фауни і дуже важлива для рослин та тварин. Але не всі люди мають достатні уявлення про перебіг цього явища. Актуальність даної роботи для мене полягає в тому, що вивчення впливу дифузії на життєдіяльність рослин, тварин та людини розширило спектр моїх знань про живу природу, продемонструвало тісний зв'язок фізики, біології, екології.

4 слайд

Опис слайду:

Дифузія та її закономірності Дифузія (лат. diffusio – поширення, розтікання, розсіювання, взаємодія) – процес взаємного проникнення молекул однієї речовини між молекулами іншої, що призводить до мимовільного рівномірного перемішування речовин по всьому об'єму. Явище дифузії ми спостерігаємо щодня: чи наливаємо заварку чаю в окріп, чи приготовляємо фарбуючий розчин. І навіть коли згоряє щось на плиті, а запах відчувається у всьому будинку, ми знову стикаємося з явищем дифузії.

5 слайд

Опис слайду:

Оскільки частки рухаються й у газах, й у рідинах, й у твердих тілах, то всіх цих речовин можлива дифузія. Проте швидкість перебігу даного явища їм різна. Внаслідок спостережень було встановлено, що дифузія в газах відбувається дуже швидко. У рідинах дифузія повільніше, ніж у газах, т.к. молекули рідини розташовані значно густіше, тому пробиратися крізь них значно важче. Дифузія може відбуватися навіть у твердих тілах, хоча проміжки між частинками маленькі і тому іншим речовинам дуже важко потрапити між ними. Процес дифузії у твердих тілах проходить повільно та непомітно для неозброєного ока.

6 слайд

Опис слайду:

Швидкість дифузії залежить як від агрегатного стану речовини, а й від температури. Чим більша температура тіла, тим більша швидкість молекул, і дифузія протікає швидше.

7 слайд

Опис слайду:

Значення дифузії Дихання рослин, харчування рослин, поглинання вуглекислого газу та виділення рослинами необхідного для дихання людини кисню, постачання природних водойм киснем відбувається завдяки дифузії. Відомо, що квітки багатьох рослин мають аромат. Пов'язано це з тим, що комахи-запилювачі (а в тропічних лісах і дрібні птахи) відшукують на великій відстані квітки з ласим нектаром не тільки по яскравому фарбуванню пелюсток, але й запаху, який вони виділяють. ефірних олій. Якщо для залучення комах-запилювачів квітки видають у більшості випадків приємний аромат, то для відлякування ворогів, що харчуються цими рослинами, їх стебла та листя набули неприємного запаху.

8 слайд

Опис слайду:

Плотоядні тварини знаходять своїх жертв також завдяки дифузії. Акули та риби піранії відчувають запах крові на відстані кількох кілометрів.

9 слайд

Опис слайду:

Горючий природний газ, що використовується в побуті для приготування їжі, не має кольору, ні запаху. Щоб зробити надходження газу в приміщення помітним, горючий газ попередньо змішують з речовинами, що різко пахнуть. Це дозволяє швидко помітити наявність витоку газу у приміщенні. У повсякденному житті ми зустрічаємося з процесом дифузії при засолюванні та зацукрованні, змішуванні різних інгредієнтів при приготуванні їжі, склеюванні поверхонь, фарбуванні тканин, пранні речей тощо.

10 слайд

Опис слайду:

Шкідливі прояви дифузії Необхідно відзначити і шкідливі прояви дифузії. Димові труби підприємств викидають в атмосферу вуглекислий газ, оксиди азоту та сірки. На даний час загальна кількість емісії газів в атмосферу перевищує 40 мільярдів тонн на рік. Процес дифузії відіграє велику роль у забрудненні річок, морів та океанів. Річний скидання виробничих та побутових стоків у світі дорівнює приблизно 10 трильйонів тонн. Виникає загроза «екологічної» катастрофи.

11 слайд

Опис слайду:

Експериментальна частина Досвід 1. Я розпорошила духи біля вхідних дверей до кабінету. Довжина кабінету – 10 метрів. Моя однокласниця, що знаходилася біля протилежної стіни, відчула запах парфумів через 2,6 хвилини. Досвід 2. У дві однакові склянки поклали пакетики з чаєм. У праву склянку налили холодну воду, що має температуру 25 градусів, а ліву – гарячу, температура якої 95 градусів. Спостереження фіксувала за допомогою фотоапарата з інтервалом спочатку 10 хвилин, потім 15 хвилин, останнє фото виконано за добу.

12 слайд

Опис слайду:

Досвід 3. Я виготовила з желатину та води два диски, в один із яких додала барвник. При кімнатній температурі вони зберігають форму та об'єм, як тверді тіла. Пофарбований диск поклала зверху на незабарвлений, і кожну добу робила фотографії.

13 слайд

Опис слайду:

Висновки з дослідів: 1. Дифузія спостерігається у газах, рідинах та твердих тілах. 2. Дифузія у газах протікає швидко (хвилини). 3. Для дифузії в рідині потрібно більше часу, ніж у газах (кілька годин). Що температура рідини, то швидше протікає дифузія. 4. У твердих тілах дифузія протікає набагато повільніше, ніж у рідинах (кілька діб).

14 слайд

Опис слайду:

Заключение Явление дифузії одна із головних загальних умовжиттєдіяльності рослин, тварин та людини. Без цього явища життя на Землі було б неможливим. На жаль, дедалі частіше ми спостерігаємо негативний вплив людини на навколишнє середовище. І стає страшно від того, що настане момент жалю про точку не повернення до тієї краси, яка поки що нас оточує. Людині немає необхідності щось спеціально робити для поліпшення перебігу явища дифузії в живій природі. Просто треба виключити свій негативний вплив на живу природу своєю діяльністю, частіше привертати увагу громадськості до проблем навколишнього середовища і тоді кожен зможе жити у повній гармонії із природою, із самим собою.

15 слайд

Опис слайду:

Література 1. Єфграфова Н.М., Каган В.Л. Курс фізики для підготовчих відділень вузів: Навч. Допомога. - 3-тє вид., Випр. І перероб. - М.: Вищ. Шк., 1984. - 487 с., іл. 2. А. В. Перишкін Курс фізики, ч.II для середньої школи Механіка (продовження), теплота та молекулярна фізика складений за участю Н.П. Суворова видання п'ятнадцяте Редактор Л.Л. Величко. Художній редактор Б.Л. Миколаїв. Технічний редактор Н.М. Махів. Корректор Т.Кузнєцова Видавництво «Просвіта» Москва 1968 3. Елементарний підручник фізики: Навчальний посібник. У 3-х т. / Под ред. Г.С. Ландсберг. Т. I. Механіка. Теплота. Молекулярна фізика – 10-ті вид., перераб.- М.: Наука. Головна редакція фізико-математичної літератури, 1985. –608 с., іл. 4. Сьомке А.І. "Нестандартні завдання з фізики", Ярославль: Академія розвитку,2007. 5. Шустова Л.В., Шустов С.Б. «Хімічні основи екології». М.: Просвітництво,1995. 6. Лукашик В.І. Задачник із фізики 7-8кл. М: Просвітництво,2002. 7. Кац Ц.Б. Біофізика під час уроків фізики. М: Просвітництво,1998. 8. Енциклопедія Фізика. М: Аванта +,1999. 9. Богданов К.Ю. Фізик у гостях у біолога. М: Наука,1986. 10. Єнохович А.С. Довідник із фізики. М: Просвітництво, 1990. 11. Ольгін О. І. Досліди без вибухів. М: Хімія,1986. 12. Ковтунович М.Г. «Домашній експеримент із фізики 7-11 класи». М: Гуманітарний видавничий центр, 2007. 13. Internet-ресурси.

16 слайд

Опис слайду:

МОУ Заозерна ЗОШ із поглибленим вивченням окремих предметів №16

Тема: «Дифузія в живій та неживій природі».

Виконав:

учень 8 А класу Зябрьов Кирило.

Вчитель фізики: Зав'ялова Г.М.

Вчитель біології: Зябрева В.Ф.

Томськ – 2008

I. Вступ. ………………………………………………………… 3

ІІ. Дифузія у живій та неживій природі.

1. Історія відкриття явища. …………………………………. 4

2. Дифузія, її види. ………………………………………….. 6

3. Від чого залежить швидкість дифузії? ……………………….. 7

4. Дифузія у неживій природі. ……………………………... 8

5. Дифузія у живій природі. ………………………………… 9

6. Використання явищ дифузії. …………………………. 16

7. Проектування окремих явищ дифузії. …………… 17

ІІІ. Висновок. …………………………………………………... 20

IV. Використовувана література. …………………………………. . 21

I. Вступ.

Як багато дивовижного та цікавого відбувається навколо нас. Світлять на нічному небі далекі зірки, горить у вікні свічка, вітер розносить аромат квітучої черемхи, тебе проводжає поглядом бабуся, що старіє. Багато що хочеться дізнатися, спробувати пояснити самостійно. Адже багато природних явищ пов'язані з процесами дифузії, про яку ми говорили нещодавно у школі. Але ж говорили так мало!

Цілі роботи :

1. Розширити та поглибити знання про дифузію.

2. Змоделювати окремі дифузійні процеси.

3. Створити додатковий матеріал у комп'ютерному виконанні для використання під час уроків фізики та біології.

Завдання:

1. Знайти необхідний матеріал у літературі, Інтернет-мережі, вивчити та проаналізувати його.

2. З'ясувати, де у живій та неживій природі (фізиці та біології) зустрічаються явища дифузії, яке значення вони мають, де застосовуються людиною.

3. Описати та спроектувати найбільш цікаві дослідиза цим явищем.

4. Створити анімаційні моделі деяких дифузійних процесів.

Методи: аналіз та синтез літератури, проектування, моделювання.

Моя робота складається із трьох частин; основна частина – з 7 розділів. Мною було вивчено та оброблено матеріали 13 літературних джерел, серед яких навчальна, довідкова, наукова література та Інтернет-сайти, а також підготовлена презентація, зроблена у редакторі Power Point.

ІІ. Дифузія у живій та неживій природі.

II .1. Історія відкриття явища дифузії.

При спостереженні в мікроскопі суспензії квіткового пилку у воді Роберт Броун спостерігав хаотичний рух частинок, що виникає «не від руху рідини і не від її випаровування». Видимі лише під мікроскопом зважені частинки розміром 1 мкм і менше робили невпорядковані незалежні рухи, описуючи складні зигзагоподібні траєкторії. Броунівський рух не слабшає з часом і не залежить від хімічних властивостейсередовища; його інтенсивність збільшується зі зростанням температури середовища та зі зменшенням її в'язкості та розмірів частинок. Навіть якісно пояснити причини броунівського руху вдалося лише через 50 років, коли причину броунівського руху стали пов'язувати з ударами молекул рідини поверхню зваженої в ній частинки.

Перша кількісна теорія броунівського руху була дана А. Ейнштейном та М. Смолуховським у 1905-06 р.р. на основі молекулярно-кінетичної теорії. Було показано, що випадкові блукання броунівських частинок пов'язані з їх участю в тепловому русі нарівні з молекулами того середовища, в якому вони зважені. Частинки мають в середньому таку ж кінетичну енергію, але через більшу масу мають меншу швидкість. Теорія броунівського руху пояснює випадкові рухи частки дією випадкових сил з боку молекул та сил тертя. Відповідно до цієї теорії, молекули рідини або газу знаходяться в постійному тепловому русі, причому імпульси різних молекул не однакові за величиною та напрямом. Якщо поверхня частинки, поміщеної в таке середовище, мала, як це має місце для броунівської частинки, то удари, що зазнають частинкою з боку навколишніх молекул, не будуть точно компенсуватися. Тому в результаті «бомбардування» молекулами броунівська частка приходить у безладний рух, змінюючи величину та напрямок своєї швидкості приблизно 1014 разів на сік. З цієї теорії випливало, що, вимірявши зміщення частинки за певний час і знаючи її радіус і в'язкість рідини, можна обчислити число Авогадро.

Висновки теорії броунівського руху були підтверджені вимірами Ж. Перрена та Т. Сведберга у 1906 р. На основі цих співвідношень були експериментально визначені постійна Больцмана та постійна Авогадро. (Постійна Авогадро позначається NА, число молекул або атомів в 1 моле речовини, NА=6,022.1023 моль-1; назва на честь А. Авогадро.

Постійна Больцмана, фізична постійна k, рівна відношенню універсальної газової постійної Rдо Авогадро N A: k = R / N A = 1,3807.10-23 Дж/К. Названа на ім'я Л. Больцмана.)

При спостереженні броунівського руху фіксується положення частки через рівні проміжки часу. Чим коротше проміжки часу, тим більш зламана буде виглядати траєкторія руху частинки.

Закономірності броунівського руху є наочним підтвердженням фундаментальних положень молекулярно-кінетичної теорії. Було остаточно встановлено, що теплова форма руху матерії обумовлена хаотичним рухом атомів чи молекул, у тому числі складаються макроскопічні тіла.

Теорія броунівського руху зіграла важливу роль в обґрунтуванні статистичної механіки, на ній засновано кінетичну теорію коагуляції (перемішування) водних розчинів. Крім цього, вона має практичне значення в метрології, оскільки броунівський рух розглядають як основний фактор, що обмежує точність вимірювальних приладів. Наприклад, межа точності показань дзеркального гальванометра визначається тремтінням дзеркальця, подібно до броунівської частки бомбардованого молекулами повітря. Законами броунівського руху визначається випадковий рух електронів, що викликає шуми електричних ланцюгах. Діелектричні втрати в діелектриках пояснюються випадковими рухами молекул-диполів, що становлять діелектрик. Випадкові рухи іонів у розчинах електролітів збільшують їхній електричний опір.

Траєкторії броунівських частинок (схема досвіду Перрена); точками відзначені положення частинок через однакові проміжки часу.

Таким чином, ДИФУЗІЯ, АБО БРОУНІВСЬКИЙ РУХ – це безладний рух дрібних частинок, зважених у рідині чи газі, що відбувається під впливом ударів молекул довкілля; відкрито

Р. Броуном у 1827 р.

ІІ. 2. Дифузія, її види.

Розрізняють дифузію та самодифузію.

Дифузією називається мимовільне проникнення молекул однієї речовини у проміжки між молекулами іншої речовини. При цьому відбувається перемішування частинок. Дифузія спостерігається для газів, рідин та твердих тіл. Наприклад, крапелька чорнила перемішується у склянці води. Або запах одеколону поширюється по всьому приміщенню.

Дифузія, як і самодифузія, існує, поки є градієнт щільності речовини. Якщо щільність будь-якої однієї і тієї ж речовини неоднакова в різних частинахобсягу, то спостерігається явище самодифузії. Самодифузією називається процес вирівнювання щільності(або пропорційної їй концентрації) однієї й тієї ж речовини. Дифузія та самодифузія відбуваються завдяки тепловому руху молекул, що при нерівноважних станах створює потоки речовини.

Щільністю потоку маси називається маса речовини ( dm), що дифундує в одиницю часу через одиничний майданчик ( dS пл), перпендикулярну до осі x :

(1.1)

Явище дифузії підпорядковується закону Фіка

(1.2)

де - модуль градієнта густини, який визначає швидкість зміни густини в напрямку осі х ;

D- коефіцієнт дифузії, що розраховується з молекулярно-кінетичної теорії за формулою

(1.3)

де – середня швидкість теплового руху молекул;

Середня довжина вільного пробігу молекул.

Мінус показує, що перенесення маси відбувається у напрямку зменшення щільності.

Рівняння (1.2) називається рівнянням дифузії чи законом Фіка.

ІІ. 3. Швидкість дифузії.

При русі частинки в речовині вона постійно стикається з його молекулами. Це одна з причин, чому в звичайних умовах дифузія йде повільніше за звичайний рух. Від чого залежить швидкість дифузії?

По-перше, середньої відстані між зіткненнями частинок, тобто. довжина вільного пробігу. Чим більша ця довжина, тим швидше частка проникає у речовину.

По-друге, на швидкість впливає тиск. Чим щільніше упаковка частинок у речовині, тим важче частинці-прибульцю проникнути в таку упаковку.

По-третє, велику роль робить на швидкість дифузії молекулярна маса речовини. Чим більша мета, тим швидше потрапляння, а після зіткнення швидкість завжди уповільнюється.

І, по-четверте, температура. Зі зростанням температури коливання частинок збільшуються, зростає швидкість молекул. Проте, швидкість дифузії в тисячу разів повільніша за швидкість вільного руху.

Всі види дифузії підпорядковуються однаковим законам, описуються за допомогою коефіцієнта дифузії D, який є скалярною величиною та визначається з першого закону Фіка.

При одномірній дифузії ,

де J - густина потоку атомів або дефектів речовини,
D - коефіцієнт дифузії,
N – концентрація атомів або дефектів речовини.

Дифузія є процес на молекулярному рівні і визначається випадковим характером руху окремих молекул. Швидкість дифузії пропорційна у зв'язку з цим середньої швидкості молекул. У разі газів середня швидкість малих молекул більша, а саме вона обернено пропорційна квадратному кореню з маси молекули і зростає з підвищенням температури. Дифузійні процеси в твердих тілах при високих температурахчасто знаходять практичне застосування. Наприклад, у певних типах електронно-променевих трубок (ЕЛТ) застосовується металевий торій, що продифугував через металевий вольфрам при 2000 ºC.

Якщо суміші газів одна молекула вчетверо важче інший, то така молекула пересувається вдвічі повільніше проти її рухом у чистому газі. Відповідно, швидкість дифузії її також нижча. Ця різниця у швидкості дифузії легких та важких молекул застосовується, щоб розділяти речовини з різними молекулярними вагами. Як приклад можна навести розподіл ізотопів. Якщо газ, що містить два ізотопи, пропускати через пористу мембрану, легші ізотопи проникають через мембрану швидше, ніж важкі. Для кращого поділу процес проводиться у кілька етапів. Цей процес широко застосовувався для поділу ізотопів урану (відділення розподіленого під нейтронним опроміненням 235U від основної маси 238U). Оскільки такий спосіб поділу вимагає великих енергетичних витрат, були розвинені інші, економічніші способи поділу. Наприклад, широко розвинене застосування термодифузії у газовому середовищі. Газ, що містить суміш ізотопів, міститься в камеру, в якій підтримується просторовий перепад (градієнт) температур. При цьому важкі ізотопи з часом концентруються у холодній ділянці.

Висновок. На дифузні зміни впливають:

· молекулярна маса речовини (що вище молекулярна маса, тим менша швидкість);

· середня відстань між зіткненнями частинок (що більша довжина пробігу, тим більша швидкість);

· тиск (що більше упаковка частинок, тим важче її пробити),

· температура (з підвищенням температури підвищується швидкість).

ІІ.4. Дифузія у неживій природі.

Чи знаєте ви, що все наше життя побудоване на парадоксі природи? Всім відомо, що повітря, яким ми дихаємо, складається з газів різної щільності: азоту N 2 , кисню О 2 вуглекислого газу СО 2 і незначної кількості інших домішок. І ці гази мають бути розташовані шарами, відповідно силі тяжкості: найважчий, СО 2 ,- біля поверхні землі, над ним – Про 2 , ще вище - N 2 . Але це не відбувається. Нас оточує однорідна суміш газів. Чому не гасне полум'я? Адже кисень, що оточує його, швидко вигоряє? Тут, як і першому випадку, діє механізм вирівнювання. Дифузія перешкоджає порушенню рівноваги у природі!

Чому море солоне? Ми знаємо, що річки пробиваються крізь товщу гірських порід, мінералів і вимивають солі у морі. Як перемішування солі із водою відбувається? Це можна пояснити за допомогою простого досвіду:

ОПИС ДОСВІДУ:У скляну посудину наливаємо водяний розчин мідного купоросу. Поверх розчину обережно наливаємо чисту воду. Спостерігаємо межу між рідинами.

Питання:Що буде відбуватися з цими рідинами з часом, і що ми спостерігатимемо?

З часом межа між рідинами, що стикаються, почне розмиватись. Посудину з рідинами можна поставити в шафу і щодня спостерігати, як відбувається мимовільне перемішування рідин. Зрештою, у посудині утворюється однорідна рідина блідо-блакитного кольору, майже безбарвна на світлі.

Частинки мідного купоросу важчі за воду, але завдяки дифузії вони повільно піднімаються вгору. Причина у будові рідини. Частинки рідини упаковані у компактні групи – псевдоядра. Вони відокремлені один від одного пустотами – дірками. Ядра не стабільні, їх частки недовго перебувають у рівновазі. Варто частинці повідомити енергію, як частка відривається від ядра і провалюється у порожнечі. Звідти вона легко перескакує до іншого ядра тощо.

Молекули сторонньої речовини починають свою подорож рідиною з дір. По дорозі вони зіштовхуються з ядрами, вибивають їх частинки, встають з їхньої місце. Перебираючись з одного вільного місця в інше, вони повільно перемішуються з частинками рідини. Ми вже знаємо, що швидкість дифузії мала. Тому в звичайних умовах цей досвід проходив 18 днів, при підігріві – 2-3 хвилини.

Висновок: У полум'ї Сонця, життя і смерті далеких зірок, що світяться, в повітрі, яким ми дихаємо, зміні погоди, практично у всіх фізичних явищах ми бачимо прояв всемогутньої дифузії!

ІІ.5. Дифузія у живій природі.

Процеси дифузії добре вивчені в даний час, встановлені їх фізичні та хімічні закономірності, і вони цілком застосовні до переміщення молекул у живому організмі. Дифузія в живих організмах нерозривно пов'язана із плазматичною мембраною клітини. Тому необхідно з'ясувати, як вона влаштована, і як особливості її будови пов'язані з транспортуванням речовин у клітині.

Плазматична мембрана (плазмалема, клітинна мембрана), поверхнева, периферична структура, що оточує протоплазму рослинних та тваринних клітин, служить не тільки механічним бар'єром, але, головне, обмежує вільний двосторонній потік у клітину та з неї низько- та високомолекулярних речовин. Більше того, плазмалема постає як структура, яка «пізнає» різні хімічні речовинита регулююча виборчий транспорт цих речовин у клітину

Зовнішня поверхня плазматичної мембрани покрита пухким волокнистим шаром речовини завтовшки 3-4 нм – глікокаліксом. Він складається з ланцюгів складних вуглеводів мембранних інтегральних білків, між якими можуть розташовуватися виділені клітиною з'єднання білків з цукрами і білків з жирами. Тут же виявляються деякі клітинні ферменти, що у позаклітинному розщепленні речовин (позаклітинне травлення, наприклад, в епітелії кишечника).

Так як внутрішня частина ліпідного шару гідрофобна, він є практично непроникним бар'єром для більшості полярних молекул. Внаслідок наявності цього бар'єру, запобігається витоку вмісту клітин, проте через це клітина була змушена створити спеціальні механізми для транспортування розчинних у воді речовин через мембрану.

Плазматична мембрана, як і інші ліпопротеїдні мембрани клітини, є напівпроникною. Максимальну проникаючу здатність має вода і розчинені в ній гази. Транспорт іонів може проходити градієнтом концентрацій, тобто пасивно, без витрат енергії. І тут деякі мембранні транспортні білки утворюють молекулярні комплекси, канали, якими іони проходять крізь мембрану з допомогою простої дифузії. В інших випадках спеціальні мембранні білки-переносники вибірково зв'язуються з тим чи іншим іоном та переносять його через мембрану. Такий тип перенесення називається активним транспортом та здійснюється за допомогою білкових іонних насосів. Наприклад, витрачаючи 1 молекулу АТФ, система К-Nа насоса відкачує за один цикл із клітини 3 іона Nа і закачує 2 іона До проти градієнта концентрації. У поєднанні з активним транспортом іонів через плазмалемму проникають різні цукри, нуклеотиди та амінокислоти. Макромолекули, такі як, наприклад, білки через мембрану не проходять. Вони, а також великі частки речовини транспортуються всередину клітини за допомогою ендоцитозу. При ендоцитозі певну ділянку плазмалеми захоплює, обволікає позаклітинний матеріал, укладає його в мембранну вакуолю. Ця вакуоль – ендосома – зливається у цитоплазмі з первинною лізосомою і відбувається перетравлення захопленого матеріалу. Ендоцитоз формально поділяють на фагоцитоз (поглинання клітиною великих частинок) та піноцитоз (поглинання розчинів). Плазматична мембрана бере участь і у виведенні речовин із клітини за допомогою екзоцитозу – процесу, зворотного ендоцитозу.

Особливо важливою для живих організмів є дифузія іонів у водних розчинах. Не менш важлива роль дифузії у диханні, фотосинтезі, транспірації рослин; у перенесенні кисню повітря через стінки альвеол легень та попадання його в кров людини та тварин. Дифузія молекулярних іонів через мембрани здійснюється за допомогою електричного потенціалу всередині клітини. Маючи виборчу проникність, мембрани грають роль митниці при переміщенні товарів через кордон: одні речовини пропускають, інші - затримують, треті - взагалі «видворяють» із клітини. Роль мембран у житті клітин дуже велика. Клітка, що гине, втрачає контроль над можливістю регулювати концентрацію речовин через мембрану. Першою ознакою вмирання клітини є зміни в проникності і збої в роботі її зовнішньої мембрани.

Крім звичайного транспорту – кінетичного процесу перенесення частинок речовини під дією градієнтів електричного чи хімічного потенціалу, температури чи тиску – у клітинних процесах має місце і активний транспорт – рух молекул та іонів проти градієнта концентрації речовин. Такий механізм дифузії назвали осмосом. (Вперше осмос спостерігав А. Нолле в 1748 році, проте дослідження цього явища було розпочато через сторіччя.) Цей процес здійснюється за рахунок різного осмотичного тиску у водному розчині різні сторониБіологічна мембрана Вода часто вільно проходить шляхом осмосу через мембрану, але ця мембрана може бути непроникною для речовин, розчинених у воді. Цікаво, що вода тече проти дифузії цієї речовини, але підкоряючись загальному закону градієнта концентрації (у разі води).

Тому вода прагне більш розбавленого розчину, де її концентрація вище, більш концентрований розчин речовини, в якому концентрація води нижче. Не маючи можливості безпосередньо всмоктувати і відкачувати воду, клітина здійснює це за допомогою осмосу, змінюючи концентрацію розчинених речовин, що знаходяться в ній. Осмос вирівнює концентрацію розчину з обох боків мембрани. Від осмотичного тиску розчинів речовин з обох боків клітинної оболонки та пружності клітинної оболонки залежить напружений стан клітинної оболонки, яке називають тургорним тиском (тургор – від лат. turgere – бути набряклим, наповненим). Зазвичай пружність оболонок клітин тварин (виключаючи деяких кишковопорожнинних) невелика, вони позбавлені високого тургорного тиску і зберігають цілісність тільки в ізотонічних розчинах або мало відрізняються від ізотонічних (різниця між внутрішнім тиском і зовнішнім тиском менше 0,5-1,0 ам). У живих рослинних клітин тиск внутрішній завжди більший за тиск зовнішнього, однак, розриву клітинної оболонки у них не відбувається через наявність целюлозної клітинної стінки. Різниця між внутрішнім та зовнішнім тисками у рослин (наприклад, у рослин галофітів – люблячих сіль, грибів) досягає 50-100 ам. Але навіть при цьому запас міцності рослинної клітки становить 60-70%. У більшості рослин відносне подовження клітинної оболонки внаслідок тургору не перевищує 5-10%, а тургорний тиск лежить у межах 5-10 ам. Завдяки тургору тканини рослин мають пружність і конструктивну міцність. (Досліди №3, №4 підтверджують це). Всі процеси автолізу (самоснищення), в'янення та старіння супроводжуються падінням тургорного тиску.

Розглядаючи дифузію у живій природі, не можна не згадати про всмоктування. Всмоктування - процес надходження різних речовин із навколишнього середовища через клітинні мембрани в клітини, і через них - у внутрішнє середовище організму. У рослин це процес поглинання води з розчиненими в ній речовинами корінням, листям шляхом осмосу та дифузії; у безхребетних – із навколишнього середовища або порожнинної рідини. У примітивних організмів всмоктування здійснюється за допомогою піно- та фагоцитозу. У хребетних всмоктування може відбуватися як із порожнинних органів - легенів, матки, сечового міхура, так і з поверхні шкіри, з ранової поверхні та ін. Шкірою всмоктуються леткі гази, пари.

Найбільше фізіологічне значення має всмоктування шлунково-кишковому тракті, що відбувається головним чином у тонкому кишечнику. Для ефективного перенесення речовин особливе значення має велика площа поверхні кишечника і постійно високий кровотік у слизовій оболонці, за рахунок якого підтримується високий градієнт концентрацій сполук, що всмоктуються. У людини брижовий кровотік під час їди близько 400 мл/хв, а в розпал травлення - до 750 мл/хв, причому основну частку (до 80%) становить кровотік у слизовій оболонці травних органів. Завдяки наявності структур, що збільшують поверхню слизової оболонки – кругових складок, ворсинок, мікроворсинок, загальна площа всмоктуючої поверхні кишки людини сягає 200 м 2 .

Вода та розчини солей можуть дифундувати по обидва боки кишкової стінки, як у тонкому, так і в товстому кишечнику. Всмоктування їх відбувається переважно у верхніх відділах тонкого кишечника. Велике значення має у тонкому кишечнику транспорт іонів Na+, за рахунок яких переважно створюється електричний та осмотичний градієнти. Всмоктування іонів Na+ відбувається за рахунок активного, і пасивного механізмів.

Якщо б у клітини не існувало систем регуляції осмотичного тиску, то концентрація розчинених речовин усередині неї виявилася б більшою від їх зовнішніх концентрацій. Тоді концентрація води у клітині була б меншою, ніж її концентрація зовні. Внаслідок цього відбувався б постійний приплив води в клітину та її розрив. На щастя, тваринні клітини та бактерії контролюють осмотичний тиск у своїх клітинах за допомогою активного викачування неорганічних іонів, таких як Na. Тому їхня загальна концентрація всередині клітини нижча, ніж зовні. Наприклад, земноводні значну частину часу проводять у воді, а вміст солей у їхній крові та лімфі вище, ніж у прісних водах. Організми амфібій через шкірні покрови безперервно всмоктують воду. Тому вони виробляють багато сечі. Жаба, наприклад, якщо їй перев'язати клоаку, набухає, як куля. І, навпаки, якщо земноводне потрапляє у солону морську воду, воно зневоднюється та гине дуже швидко. Тому моря та океани для амфібій – непереборна перешкода. Клітини рослин мають жорсткі стінки, які захищають їхню відмінність від набухання. Багато найпростіших уникають розриву від води, що надходить всередину, за допомогою спеціальних механізмів, які регулярно викидають воду, що надходить.

Таким чином, клітина є відкритою термодинамічною системою, здійснюючи обмін речовиною та енергією з навколишнім середовищем, але зберігає певну сталість внутрішнього середовища. Ці дві властивості саморегулюючої системи - відкритість і сталість - виконуються одночасно, причому за сталість клітини якраз і відповідає обмін речовин (метаболізм). Обмін речовин є тим регулятором, який сприяє збереженню системи, забезпечує доцільне реагування на вплив навколишнього середовища. Тому необхідною умовоюОбмін речовин є дратівливість живої системи на всіх рівнях, яка в той же час постає як фактор системності і цілісності системи.

Мембрани можуть змінювати свою проникність під впливом хімічних та фізичних факторів, у тому числі внаслідок деполяризації мембрани під час проходження електричного імпульсу через систему нейронів та впливу на неї.

Нейрон – це відрізок нервового волокна. Якщо одному його кінці діє подразник, виникає електричний імпульс. Величина його близько 0,01 для м'язових клітин людини, і він поширюється зі швидкістю близько 4 м/с. Коли імпульс доходить до синапса - з'єднання нейронів, яке можна розглядати як своєрідне реле, що передає сигнал від одного нейрона на інший, то електричний імпульс перетворюється на хімічний за допомогою виділення нейромедіаторів - специфічних речовин-посередників. Коли молекули такого посередника потрапляють у щілину між нейронами, нейромедіатор шляхом дифузії досягає кінця щілини і збуджує наступний нейрон.

Однак нейрон реагує тільки в тому випадку, якщо на його поверхні є спеціальні молекули - рецептори, які можуть пов'язувати лише даний медіатор і не реагувати на інший. Це відбувається не тільки на мембрані, але й у будь-якому органі, наприклад, м'язі, викликаючи її скорочення. Сигнали-імпульси через синапси можуть гальмувати або посилювати передачу інших, і тому нейрони виконують логічні функції («і», «або»), що певною мірою і послужило М. Вінеру підставою вважати, що обчислювальні процеси в мозку живого організму та в ЕОМ йдуть принципово за тією ж схемою. Тоді інформаційний підхід дозволяє єдиним чином описувати неживу та живу природу.

Сам процес впливу сигналу на мембрану полягає у зміні її високого електричного опору, так як різниця потенціалів на ній теж близько 0,01 В. Зменшення опору призводить до збільшення імпульсу електричного струму і збудження передається далі у вигляді нервового імпульсу, змінюючи при цьому можливість проходження через мембрану певних іонів Таким чином, інформація в організмі може передаватися в поєднанні, хімічним та фізичним механізмами, і це забезпечує надійність та різноманітність каналів її передачі та переробки в живій системі.

З процесами клітинного дихання, як у мітохондріях клітини утворюються молекули АТФ, забезпечуючи її необхідної енергією, тісно пов'язані й процеси нормального дихання живого організму, котрого потрібен кисень О2, одержуваний у результаті фотосинтезу. Механізми цих процесів також ґрунтуються на законах дифузії. По суті, це ті матеріальні та енергетичні компоненти, які потрібні живому організму. Фотосинтез – це процес запасання сонячної енергії шляхом утворення нових зв'язків у молекулах синтезованих речовин. Вихідними речовинами для фотосинтезу є вода Н 2 Про двоокис вуглецю СО 2 . З цих простих неорганічних сполук утворюються складніші багаті на енергію поживні речовини. Як побічний, але дуже важливий для нас продукту утворюється молекулярний кисень О 2 . Прикладом може бути реакція, яка йде за рахунок поглинання квантів світла та присутності пігменту хлорофілу, що міститься у хлоропластах.

В результаті виходить одна молекула цукру C 6 Н 12 6 і шість молекул кисню О 2 . Процес йде по-стадійно, спочатку на стадії фотолізу утворюються шляхом розщеплення води водень і кисень, а потім водень, з'єднуючись з вуглекислим газом, утворює вуглевод - цукор С6Н12О6. Фактично, фотосинтез - перетворення променистої енергії Сонця на енергію хімічних зв'язків виникаючих органічних речовин. Таким чином, фотосинтез, що виробляє на світлі кисень Про 2 є тим біологічним процесом, який забезпечує живі організми вільною енергією. Процес звичайного дихання як процес обміну речовин в організмі, пов'язаний із споживанням кисню, є зворотним процесом фотосинтезу. Обидва ці процеси можуть йти наступним ланцюжком:

Сонячна енергія (фотосинтез)

поживні речовини + (дихання)

Енергія хімічних зв'язків.

Кінцеві продукти дихання є вихідними речовинами для фотосинтезу. Тим самим процеси фотосинтезу та дихання беруть участь у кругообігу речовин на Землі. Частина сонячного випромінювання поглинається рослинами та деякими організмами, які, як ми знаємо, є автотрофами, тобто. саможиваючись (харчування для них - сонячне світло). В результаті процесу фотосинтезу автотрофи пов'язують вуглекислий газ атмосфери та воду, утворюючи до 150 млрд. тонн органічних речовин, засвоюючи до 300 млрд. тонн СО 2 і виділяють близько 200 млрд. тонн вільного кисню О 2 щорічно.

Отримані органічні речовини вживаються як їжа людиною і травоїдними тваринами, якими, своєю чергою, харчуються інші гетеротрофи. Рослинні та тваринні залишки потім розкладаються до простих неорганічних речовин, які знову можуть брати участь у вигляді СО 2 і Н 2 Про фотосинтезі. Частина енергії, у тому числі запасеної у вигляді викопного енергетичного палива, йде на споживання її живими організмами, частина марно розсіюється в навколишнє середовище. Тому процес фотосинтезу завдяки можливості забезпечення їм необхідної енергії та кисню є певному етапі розвитку біосфери Землі каталізатором еволюції живого.

Процеси дифузії лежать в основі обміну речовин у клітині, а значить, за їх допомогою дані процеси здійснюються і на рівні органів. Так здійснюються процеси всмоктування у кореневих волосках рослин, кишечнику тварин та людини; газообмін в продихах рослин, легень і тканин людини і тварин, видільні процеси.

Будівлею та вивченням клітин біологи займаються вже понад 150 років, починаючи зі Шлейдена, Шванна, Пуріме та Вірхова, який у 1855 р. встановив механізм зростання клітин шляхом їх поділу. Було встановлено, що кожен організм розвивається з однієї клітини, яка починає ділитися і в результаті цього утворюється безліч клітин, що помітно відрізняються одна від одної. Але оскільки спочатку розвиток організму почалося від розподілу першої клітини, то на одному з етапів нашого життєвого циклу ми зберігаємо схожість з дуже віддаленим одноклітинним предком, і можна жартома сказати, що ми швидше походять від амеби, ніж від мавпи.

З клітин формуються органи, й у системи клітин виникають такі якості, яких у складових її елементів, тобто. окремих клітин. Ці відмінності обумовлені набором білків, що синтезуються цією клітиною. Бувають клітини м'язові, нервові, кров'яні (еритроцити), епітеліальні та інші, залежно від своєї функціональності. Диференціювання клітин відбувається поступово у розвитку організму. У процесі поділу клітин, їх життя та загибелі протягом усього життя організму відбувається безперервна заміна клітин.

Жодна молекула в нашому тілі не залишається незмінною довше за кілька тижнів або місяців. За цей час молекули синтезуються, виконують свою роль у житті клітини, руйнуються та замінюються іншими, більш менш ідентичними молекулами. Найдивовижніше, що живі організми в цілому значно більш постійні, ніж складові їх молекули, і будова клітин і всього тіла, що складається з цих клітин, залишається в цьому безперервному кругообігу незмінним, незважаючи на заміну окремих компонентів.

Причому це не заміна окремих деталей автомобіля, а, як образно порівнює С. Роуз, тіло з цегляною спорудою, «з якої божевільний муляр безперервно вночі та вдень виймає одну цеглу за іншою і вставляє на їхнє місце нові. У цьому зовнішній вигляд будівлі залишається тим самим, а матеріал постійно замінюється». Ми народжуємося з одними нейронами та клітинами, а помираємо з іншими. Прикладом є свідомість, розуміння та сприйняття дитини та старої людини. У всіх клітинах є повна генетична інформація побудови всіх білків даного організму. Зберігання та передача спадкової інформації здійснюються за допомогою клітинного ядра.

Висновок: Не можна перебільшити роль проникності плазматичної мембрани у життєдіяльності клітини. Більшість процесів, пов'язаних із забезпеченням клітини енергією, отриманням продуктів та позбавленням її від продуктів розпаду, ґрунтуються на закономірностях дифузії через цю напівпроникну живу перешкоду.

Осмос- по суті, проста дифузія води з місць з її більшою концентрацією, місця з меншою концентрацією води.

Пасивний транспорт– це перенесення речовин із місць з великим значеннямелектрохімічного потенціалу до місць із його меншим значенням. Перенесення малих водорозчинних молекул здійснюється з допомогою спеціальних транспортних білків. Це особливі трансмембранні білки, кожен з яких відповідає за транспортування певних молекул або груп родинних молекул.

Часто буває необхідним забезпечити перенесення через мембрану молекул проти їхнього електрохімічного градієнта. Такий процес називається активним транспортомі здійснюється білками-переносниками, діяльність яких потребує витрат енергії. Якщо зв'язати білок-переносник із джерелом енергії, можна отримати механізм, який забезпечує активний транспорт речовин через мембрану.

ІІ.6. Застосування дифузії.

Людина з давніх часів використовує явища дифузії. З цим процесом пов'язані приготування їжі та обігрів житла. Ми зустрічаємося з дифузією при термообробці металів (зварюванні, пайці, різанні, нанесенні покриттів тощо); нанесення тонкого шару металів на поверхню металевих виробів для підвищення хімічної стійкості, міцності, твердості деталей та приладів або в захисно-декоративних цілях (оцинкування, хромування, нікелювання).

Природний горючий газ, яким ми користуємося вдома для приготування їжі, немає ні кольору, ні запаху. Тому важко було б одразу помітити витік газу. А при витоку рахунок дифузії газ поширюється по всьому приміщенню. Тим часом, при певному співвідношенні газу з повітрям у закритому приміщенні утворюється суміш, яка може вибухнути, наприклад, від запаленого сірника. Газ може викликати отруєння.

Щоб зробити надходження газу в приміщення помітним, на розподільних станціях горючий газ попередньо змішують з особливими речовинами, що мають різкий неприємний запах, який легко відчувається людиною навіть за дуже малої його концентрації. Такий запобіжний засіб дозволяє швидко помітити накопичення газу в приміщенні, якщо утворився витік.

У сучасній промисловості використовують вакуумформування, спосіб виготовлення виробів із листових термопластів. Виріб необхідної конфігурації отримують за рахунок різниці тисків, що виникає внаслідок розрідження в порожнині форми, над якою закріплений лист. Застосовується, наприклад, у виробництві ємностей, деталей холодильників, корпусів приладів. За рахунок дифузії таким шляхом можна зварити те, що саме зварити неможливо (метал зі склом, скло та кераміку, метали та кераміку, та багато іншого).

За рахунок дифузії різних ізотопів урану через пористі мембрани полечено паливо для ядерних реакторів. Іноді ядерне паливо називають ядерним пальним.

Всмоктування (розсмоктування) речовин при введенні їх у підшкірну клітковину, м'язи або аплікації на слизові оболонки ока, носа, шкіру слухового проходу відбувається головним чином за рахунок дифузії. На цьому засноване застосування багатьох лікарських речовин, причому всмоктування у м'язах відбувається швидше, ніж у шкірі.

Народна мудрість каже: "коси коса, поки роса". Скажете, до чого тут дифузія та ранковий покіс? Пояснення дуже простий. Під час ранкової роси у трав підвищений тургорний тиск, відкриті продихи, стебла пружні, що полегшує їх скошування (трава, скошена при закритих продихах, гірше сохне).

У садівництві, при окулюванні та щепленні рослин на зрізах за рахунок дифузії утворюється каллюс (від лат. Сallus – мозоль) - ранова тканина у вигляді напливу в місцях пошкоджень і сприяє їх загоєнню, забезпечує зрощення щепи з підщепою.

Каллюс використовують для одержання культури ізольованих тканин (експлантації). Це метод тривалого збереження та вирощування у спеціальних живильних середовищах клітин, тканин, невеликих органів або їх частин, виділених з організму людини, тварин та рослин. Заснований на методах вирощування культури мікроорганізмів, що забезпечують асептику, харчування, газообмін та видалення продуктів обміну об'єктів, що культивуються. Одна з переваг методу тканинних культур – можливість спостереження за життєдіяльністю клітин за допомогою мікроскопа. Для цього рослинну тканину вирощують на живильних середовищах, що містять ауксини та цитокініни. Каллюс складається зазвичай із слабко диференційованих однорідних клітин освітньої тканини, але при зміні умов вирощування, насамперед вмісту фітогормонів у живильному середовищі, у ньому можливе утворення флоеми, ксилеми та інших тканин, а також розвиток різних органів та цілої рослини.

ІІ.7. Проектування окремих дослідів.

Використовуючи наукову літературу, я спробував повторити найцікавіші для мене досвіди. Механізм дифузії та результати цих дослідів я зобразив у презентації у вигляді анімаційних моделей.

ДОСВІД 1.Взяти дві пробірки: одна до половини наповнена водою, інша до половини наповнена піском. Воду вилити у пробірку із піском. Об'єм суміші води та піску в пробірці менше суми обсягів води та піску.

ДОСВІД 2.Довгу скляну трубку до половини наповнити водою, а потім зверху налити підфарбований спирт. Загальний рівень рідин у трубці відзначити гумовим кільцем. Після перемішування води та спирту обсяг суміші зменшується.

(Досліди 1 і 2. доводять, що між частинками речовини існують проміжки; під час дифузії вони заповнюються частинками речовини – прибульця.)

ДОСВІД 3.Ватку, змочену нашатирним спиртом, приведемо до зіткнення з ваткою, змоченою індикатором фенолфталеїном. Спостерігаємо фарбування ваток у малиновий колір.

Тепер ватку, змочену нашатирним спиртом, поміщають на дно скляної судини, а змочену фенолфталеїном. Прикріпимо до кришки та накриємо цією кришкою скляну посудину. Через деякий час ватка, змочена фенолфталеїном, починає фарбуватись.

В результаті взаємодії з нашатирним спиртом фенолфталеїн забарвлюється в малиновий колір, що ми спостерігали при дотику ваток. Але чомусь тоді в другому випадку ватка, змочена фенолфталеїном. Також фарбується, адже тепер ватки на дотик не наводилися? Відповідь: безперервний хаотичний рух частинок речовин.

ДОСВІД 4.Уздовж стінки всередині високої циліндричної судини опустити вузьку смужку фільтрувального паперу, просоченою сумішшю крохмального клейстеру з розчином індикатора фенолфталеїну. На дно судини помістити кристали йоду. Посудину щільно закрити кришкою, до якої підвішена вата, просочена розчином аміаку.

За рахунок взаємодії йоду з крохмалем по смужці паперу вгору піднімається синьо - фіолетове забарвлення. Одночасно вниз поширюється малинове забарвлення – підтвердження руху молекул аміаку. Через кілька хвилин межі пофарбованих ділянок паперу зустрінуться, і далі синій і малиновий кольори змішуються, тобто відбувається дифузія. [10]

ДОСВІД 5.(Проводять удвох) Взяти годинник з секундною стрілкою, рулетку, флакон туалетної води і встати в різні кути кімнати. Один засікає час та відкриває флакон. Інший відзначає час, коли відчує запах туалетної води. Вимірюючи відстань між експериментаторами, знаходимо швидкість дифузії. Для точності досвід повторюється 3 – 4 рази, і перебуває середнє значення швидкості. Якщо відстань між експеритентаторами 5 метрів, запах відчувається через 12 хвилин. Тобто швидкість дифузії у разі дорівнює 2, 4 м /хв.

ДОСВІД 6.ВИЗНАЧЕННЯ В'ЯЗКОСТІ ПЛАЗМИ МЕТОДОМ ПЛАЗМОЛІЗУ (за П.А.Генкеля).

Швидкість наступу опуклого плазмолізу у рослинних клітинах під час їх обробки гіпертанічним розчином залежить від в'язкості цитоплазми; що менше в'язкість цитоплазми, то швидше увігнутий плазмоліз перетворюється на опуклий. В'язкість цитоплазми залежить від ступеня дисперсії колоїдних частинок та їх гідратації, від вмісту води у клітині, від віку клітин та інших факторів.

Хід роботи.Роблять тонкий зріз епідермісу з листа алое, або здирають епідерміс з м'яких лусок цибулі. Виготовлені зрізи підфарбовують у годинному склі протягом 10 хвилин у розчині нейтрального червоного концентрації 1:5000. Потім зрізи об'єкта поміщають на предметне скло краплю сахарози слабкої концентрації і закривають одним покривним склом. Під мікроскопом спостерігається стан плазмолізу. Спочатку у клітинах відзначається увігнутий плазмоліз. Надалі ця форма або зберігається, або з тією чи іншою швидкістю перетворюється на опуклу форму. Важливо відзначити час переходу увігнутого плазмолізу у опуклий. Проміжок часу, протягом якого увігнутий плазмоліз перетворюється на опуклий, є показником ступеня в'язкості протоплазми. Чим більша тривалість часу переходу до опуклого плазмолізу, тим більша в'язкість плазми. Плазмоліз у клітинах цибулі починається швидше, ніж у шкірці алое. Значить цитоплазма клітин алое більш в'язка.

ДОСВІД 7.ПЛАЗМОЛІЗ. ДЕПЛАЗМОЛІЗ. ПРОНИКНЕННЯ РЕЧОВИН У ВАКУОЛЬ [ 2]

Деякі органічні речовини досить швидко проникають у вакуолю. У клітинах, при їхньому витримуванні в розчинах таких речовин, порівняно швидко втрачається плазмоліз і настає деплазмоліз.

Деплазмоліз – це відновлення тургору у клітинах(Тобто явище, зворотне плазмолізу).

Хід роботи.Зрізи верхнього епідермісу луски забарвленої цибулі (увігнута сторона) поміщають у краплю I М розчину добрива для рослин сечовини або гліцерину прямо на предметному склі, накривають покривним склом. Через 15-30 хвилин об'єкти розглядають під мікроскопом. Добре помітні плазмолізовані клітини. Залишають зрізи у краплі розчину ще на 30-40 хвилин. Потім знову розглядають під мікроскопом та спостерігають деплазмоліз – відновлення тургору.

Висновок : рослини не можуть чітко контролювати кількість хімічних речовин, що надходять і виходять з клітин.

ІІІ. Висновок.

Закономірностям дифузії підпорядковуються процеси фізико-хімічних переміщень елементів у земних надрах та у Всесвіті, а також процеси життєдіяльності клітин та тканин живих організмів. Дифузія відіграє важливу роль у різних галузях науки і техніки, у процесах, що відбуваються у живій та неживій природі. Дифузія впливає на перебіг багатьох хімічних реакцій, а також багатьох фізико-хімічних процесів і явищ: мембранних, випаровування, конденсації, кристалізації, розчинення, набухання, горіння, каталітичних, хроматографічних, люмінесцентних, електричних і оптичних у напівпровідниках, уповільнення нейтронів і т.д. Дифузія велике значення має при утворенні на межах фаз подвійного електричного шару, дифузіофорезі та електрофорезі, у фотографічних процесах для швидкого отримання зображення та ін. шкіри та хутра, фарбування волокон, переміщення газів за допомогою дифузійних насосів. Роль дифузії істотно зросла у зв'язку з необхідністю створення матеріалів із заздалегідь заданими властивостями для областей техніки, що розвиваються (ядерної енергетики, космонавтики, радіаційних і плазмохімічних процесів тощо). Знання законів, що управляють дифузією, дозволяє попереджати небажані зміни у виробах, що відбуваються під впливом високих навантажень і температур, опромінення та багато іншого.

Яким взагалі був би світ без дифузії? Припини тепловий рух частинок - і навколо все стане мертвим!

У своїй роботі я узагальнив зібраний на тему реферату матеріал і підготував для його захисту презентацію, зроблену в редакторі Power Point. Ця презентація, на мій погляд, зможе урізноманітнити матеріал уроку з цієї теми. Деякі описані в літературі досліди були повторені та трохи видозмінені мною. Найцікавіші приклади дифузії представлені на слайдах презентації в анімаційних моделях.

IV. Використовувана література:

1. Антонов В. Ф., Черниш А. М., Пасічник В. І., та ін. Біофізика.

М., Арктос-Віка-прес, 1996

2. Афанасьєв Ю.І., Юрина Н.А., Котовський Є.Ф. та ін Гістологія.

М. Медицина, 1999.

3. Албертс Б., Брей Д., Льюїс Дж. та ін. Молекулярна біологія клітини.

У трьох томах. Том 1. М., Мир, 1994.

4. Велика енциклопедіяКирила та Мефодія 2006

5. Варікаш В.М. та ін Фізика у живій природі. Мінськ,1984.

6. Дем'янков Є.М. Завдання з біології. М. Владос, 2004.

7. Ніколаєв Н.І. Дифузія у мембранах. М. Хімія, 1980, с.76

8. Перишкін А.В. фізика. 7. М. Дрофа, 2004.

9. Фізичний енциклопедичний словник, М., 1983, с. 174-175, 652, 754

10. Шабловський Ст. Цікава фізика. С-Петербург, «тригон» 1997, с.416

11. xttp//bio. fizten/ru./

12. xttp//markiv. narod.ru./

13. «http://ua.wikipedia.org/wiki/%D0%94%D0%B8%D1%84%D1%84%D1%83%D0%B7%D0%B8%D1%8F» Категорії: Явища атомному рівні | Термодинамічні явища Явлення перенесення Дифузія