Диффузия в домашних условиях

Введение

Сегодня я буду говорить об очень интересном и наиважнейшем явлении в нашей жизни. Но, а пока… Послушайте отрывок из старой ассирийской сказки «Царь Зимаар». «Был у царя умный советник Аяз, которого он очень уважал. Как обычно бывает в таких случаях, у Аяза были враги, которые его оклеветали перед царем, и тот, послушав их, заключил его в тюрьму. Когда к Аязу пришла жена, он велел ей поймать большого муравья, привязать к его лапке крепкую нитку длиной сорок метров, к свободному концу её привязать верёвку такой же длину и пустить муравья по наружной стене тюрьмы в указанном месте. Как сказал Аяз, так жена и сделала. Сам же Аяз накрошил на окно камеры сахара и муравей по запаху сахара добрался до камеры, где сидел Аяз».

Конечно же вы догадались, какое физическое явление помогло Аязу заполучить в своё распоряжение верёвку для побега!

Посмотрите на пословицы

Ложка дёгтя в бочке мёда.

Нарезанный лук пахнет и жжёт глаза сильнее

Овощной лавке вывеска не нужна.

Волка нюх кормит

В моей работе я  речь пойдет о диффузии.

Диффузия (лат. diffusio — распространение, растекание, рассеивание, взаимодействие) — процесс взаимного проникновения молекул одного вещества между молекулами другого, приводящий к самопроизвольному выравниванию их концентраций по всему занимаемому объёму.

                            История открытия.

 В 1827 году ботаник Броун наблюдал беспорядочное движение частичек цветочной пыльцы в воде. Частички были достаточно малы, и для наблюдений использовался микроскоп. Маршруты частичек не подчинялись никакой системе и были столь причудливы, что Броун вначале принял это движение за какое-то особое проявление жизни. Правильно броуновское движение было объяснено полвека спустя. Молекулы воды постоянно находятся в хаотическом движении. Это они бомбардируют с разных сторон огромную (по сравнению с ними) частицу пыльцы, заставляя ее двигаться случайным образом. Поэтому броуновское движение может служить наблюдаемым доказательством невидимого даже под микроскопом движения молекул.

При наблюдении в микроскопе взвеси цветочной пыльцы в воде Роберт Броун наблюдал хаотичное движение частиц, возникающее «не от движения жидкости и не от ее испарения».

Явление диффузии, его сущность

Я продемонстрирую диффузию в газах, разбрызгивая в углу класса дезодорант. Распространение запаха объясняется движением молекул. Это движение носит непрерывный и беспорядочный характер. Сталкиваясь с молекулами газов, входящих в состав воздуха, молекулы дезодоранта много раз меняют направление своего движения и, беспорядочно перемещаясь, разлетаются по всей комнате.

Процесс проникновения частиц (молекул, атомов, ионов) одного вещества между частицами другого вещества вследствие хаотичного движения называется диффузией. Таким образом, диффузия – результат хаотичного движения всех частиц вещества, всякого механического воздействия.

Движения частиц при диффузии совершенно случайны, все направления смещения равновероятны,

Так как частицы движутся и в газах, и в жидкостях, и в твердых телах, то в этих веществах возможна диффузия. Диффузия – перенос вещества, обусловленный самопроизвольным выравниванием неоднородной концентрации атомов или молекул разного вида. Если в сосуд впустить порции различных газов, то через некоторое время все газы равномерно перемешиваются: число молекул каждого вида в единице объёма сосуда станет постоянным, концентрация выравнивается .

Диффузия объясняется так. Сначала между двумя телами чётко видна граница раздела двух сред.

Затем, вследствие своего движения отдельные частицы веществ, находящихся около границы, обмениваются местами.

Граница между веществами расплывается. Проникнув между частицами другого вещества, частицы первого начинают обмениваться местами с частицами второго, находящимися во всё более глубоких слоях. Граница раздела веществ становится ещё более расплывчатой. Благодаря непрерывному и беспорядочному движению частиц этот процесс приводит в конце концов к тому, что раствор в сосуде становится однородным.

Закономерности протекания диффузии

Обратим внимание на закономерности протекания явления. Разница концентрации является движущей силой диффузии. Если концентрация всюду одинакова, диффузный перенос вещества отсутствует. Выравнивание концентрации в результате диффузии происходит только в отсутствие внешних сил. Если разница концентраций существует наряду с разницей температур, в электрическом поле или в условиях, когда существенна сила тяжести (при большой разнице высот), выравнивание концентрации необязательно. Примером может служить уменьшение плотности воздуха с высотой.

Обратимся к опыту. В двух стаканах налита вода, но в одном холодная, а в другом – горячая. Опустим одновременно в стаканы пакетики с чаем. Нетрудно заметить, что в горячей воде чай быстрее окрашивает воду, диффузия протекает быстрее. Скорость диффузии увеличивается с ростом температуры, так как молекулы взаимодействующих тел начинают двигаться быстрее.

Наиболее быстро диффузия происходит в газах, медленнее в жидкостях и медленнее всего в твёрдых телах. Дело в том, что в газах и жидкостях основной вид теплового движения частиц приводит к их перемешиванию, а в твердых телах, в кристаллах, где атомы совершают малые колебания около положения узла решётки, нет.

Значение диффузии.

Роль диффузии в природе:

Поддерживается однородный состав атмосферного воздуха вблизи поверхности Земли. Питание, дыхание животных и растений. Проникновение кислорода из крови в ткани человека.

Примером диффузии в газах является распространение запахов в воздухе. При этом запах распространяется не мгновенно, а спустя некоторое время. Почему же так происходит? Дело в том, что движению молекул пахучего вещества в определенном направлении мешает движение молекул воздуха.

С помощью диффузии происходит распространение различных газообразных веществ в воздухе: например, дым  костра распространяется на большие расстояния.

Результатом этого явления может быть выравнивание температуры в помещении при проветривании. Таким же образом происходит загрязнение воздуха вредными продуктами промышленного производства и выхлопными газами автомобилей. Природный горючий газ, которым мы пользуемся дома, не имеет ни цвета ни запаха. При утечке заметить его невозможно, поэтому на распределительных станциях газ смешивают с особым веществом, обладающим резким, неприятным запахом, который легко ощущается человеком.

Благодаря явлению диффузии  нижний слой атмосферы – тропосфера – состоит из смеси газов: азота, кислорода, углекислого газа и паров воды. При отсутствии диффузии произошло бы расслоение под действием силы тяжести: внизу оказался бы слой тяжёлого углекислого газа, над ним – кислород, выше – азот  инертные газы.

В небе мы тоже наблюдаем это явление. Рассеивающиеся облака – тоже пример диффузии и как точно об этом сказано  у Ф.Тютчева: «В небе тают облака…»

В  жидкостях диффузия протекает помедленнее, чем в газах, но этот процесс можно ускорить, с помощью нагревания. Например, чтобы быстрее засолить огурцы, их заливают горячим рассолом. Мы знаем, что в холодном чае сахар растворится медленнее, чем в горячем.

Летом, наблюдая за муравьями, мы всегда задумывались над тем, как они в огромном для них мире, узнают дорогу домой. Оказывается, и эту  загадку открывает явление диффузии.  Муравьи помечают свой путь капельками пахучей жидкости

Благодаря диффузии, насекомые находят себе пищу. Бабочки, порхая меж растений, всегда находят дорогу к красивому цветку. Пчелы, обнаружив  сладкий объект, штурмуют его своим роем.

А растение растет, цветет для них тоже благодаря диффузии. Ведь мы говорим, что растение дышит и выдыхает воздух, пьет воду, получает из почвы различные микродобавки.

Плотоядные животные находят своих жертв тоже благодаря диффузии.  Акулы чувствуют запах крови на расстоянии нескольких километров, также как и рыбы пираньи.

Экология окружающей среды ухудшается за счёт выбросов в атмосферу, в воду химических и прочих вредных веществ, и это всё распространяется и загрязняет огромные территории. А вот деревья выделяют кислород и поглощают углекислый газ с помощью диффузии.

На принципе диффузии основано перемешивание пресной воды с соленой при впадении рек в моря. Диффузия растворов различных солей в почве способствует нормальному питанию растений.

Во всех приведенных примерах мы наблюдаем взаимное проникновение молекул веществ, т.е. диффузию. На этом процессе основаны многие физиологические процессы в организме человека и животных: такие как дыхание, всасывание и др. В общем, диффузия имеет большое значение в природе, но это явление также вредно в отношении загрязнения окружающей среды.

Влияние человека на протекание диффузии в природе.

К сожалению, в результате развития человеческой цивилизации оказывается негативное влияние на природу и процессы, протекающие в ней. Процесс диффузии играет большую  роль в загрязнении рек, морей, океанов. Например, можно быть уверенным, что моющие средства, слитые в канализацию, например, в Одессе, окажутся у берегов Турции из-за диффузии и существующих течений. Годовой сброс производственных и бытовых стоков в мире в мире исчисляется десятками триллионов тонн. Примером отрицательного влияния человека на процессы диффузии в природе являются крупномасштабные аварии, произошедшие в  бассейнах разных водоемов. В результате этого явления нефть и продукты ее переработки растекаются по поверхности воды и, как результат, нарушаются процессы диффузии, например: кислород не поступает в толщу воды, и рыбы без кислорода погибают.

Вследствие  явления диффузии воздух загрязняется отходами разных фабрик, из-за него вредные отходы жизнедеятельности человека проникают в почву, воду, а затем оказывают вредное влияние на жизнь и функционирование животных и растений. Увеличивается площадь земель, загрязненных выбросами промышленных предприятий и т.д. Свыше 2 тыс. гектаров земли занято свалками промышленных и бытовых отходов. Один из трудно решаемых в настоящее время вопросов является вопрос утилизации промышленных отходов, в том числе токсичных.

Насущной проблемой является загрязнение воздуха выхлопными газами, продуктами переработки вредных веществ, выбрасываемыми в атмосферу различными заводами. В некоторых медицинских исследованиях была показана связь заболеваемости органов дыхания и верхних дыхательных путей с состоянием воздуха. Отмечается прямая зависимость между показателем уровня заболеваемости органов дыхания и объемом выбросов вредных веществ в атмосферу. Перечисленные примеры диффузии оказывают вредное влияние на различные процессы, происходящие в природе. (Учитывая глобальное потепление, важно исследовать изменение скорости диффузии в зависимости от повышения температуры окружающей среды.)

Применение диффузии в технике и в повседневной жизни

Диффузия находит широкое применение в промышленности и повседневной жизни. На явлении диффузии основана диффузионная сварка металлов. Методом диффузионной сварки без применения припоев, электродов и флюсов соединяют между собой металлы, неметаллы, металлы и неметаллы, пластмассы. Детали помещают в закрытую сварочную камеру с сильным разряжением, сдавливают и нагревают до 800 градусов. При этом происходит интенсивная взаимная диффузия атомов в поверхностных слоях контактирующих материалов. Диффузионная сварка применяется в основном в электронной и полупроводниковой промышленности, точном машиностроении.

Для извлечения растворимых веществ из твердого измельченного материала применяют диффузионный аппарат. Такие аппараты распространены главным образом в свеклосахарном производстве, где их используют для получения сахарного сока из свекловичной стружки, нагреваемой вместе с водой.

На явлении диффузии основан процесс металлизации – покрытия поверхности изделия слоем металла или сплава для сообщения ей физических, химических и механических свойств, отличных от свойств металлизируемого материала. Применяется для защиты изделий от коррозии, износа, повышения контактной электрической проводимости, в декоративных целях, так, для повышения твердости и жаростойкости стальных деталей применяют цементацию. Она заключается в том, что стальные детали помещают в ящик с графитовым порошком, который устанавливают в термической печи. Атомы углерода вследствие диффузии проникают в поверхностный слой деталей. Глубина проникновения зависит от температуры и времени выдержки деталей в термической печи.

Диффузия в домашних условиях.

В домашних условиях явление диффузии проявляется всюду. Когда мама на кухне режет лук, готовит курицу, варит обед или готовит маринад для заливки овощей, ароматы из кухни распространяется по всей квартире. Горючий газ-пропан, которым мы пользуемся дома для приготовления пищи, не имеет цвета. Поэтому трудно было бы сразу заметить утечку газа. А при утечке за счет диффузии газ распространяется по всему помещению, и мы ощущаем эту утечку по запаху. Между тем при определенном соотношении газа с воздухом в закрытом помещении образуется смесь, которая может взорваться. Например, от зажжённой спички. Газ может вызвать и отравление людей.

Когда лучи солнца попадают в комнату, то можно наблюдать своеобразный «танец пылинок». В комнатных пылинках благодаря диффузии содержатся частички плесени, молекулы тяжелых металлов, которые содержатся в мебели, отделочных материалах и других квартирных «благах цивилизации». С легкостью справляются с токсическими веществами, растворенными в воздухе комнат, комнатные цветы: плющ, пеларгония, и т. д. И все это происходит благодаря диффузии.

Всем известный столетник (алоэ) способен снизить количество вредных микробов в 4раза, а кактус в 6-7 раз уменьшает численность плесневых грибов в воздухе. Табачный дым, покрытия из линолеума приносят вред нашему здоровью. Комнатные растения (традесканция, хлорофитум) могут поглощать и разлагать токсические вещества.

Диффузия используется во многих домашних процессах:

а)засолка овощей;

б)получение сахара;

в)варка варенья;

г) окрашивание тканей;

д)стирка вещей и т.д.

Проведенные исследования

Опыт № 1 Наблюдение явления диффузии в жидкости

Цель: наблюдение диффузии в жидкости в зависимости от разных условий.

Приборы и материалы: стакан с холодной водой, раствор «зеленки»,  тарелка с горячей водой , растительное масло, пипетка.

Описание опыта и полученные результаты:

а) в стакан с водой капнули «зеленку» и пронаблюдали, как происходит процесс диффузии;

б) провели этот же опыт, поставив стакан с водой в тарелку с горячей водой, процесс произошел гораздо быстрее, чем в первом случае;

в) перед тем как капнуть в стакан с водой «зеленку», добавили в воду несколько капель растительного масла, процесс диффузии произошел гораздо медленнее, чем в первом случае.

Вывод: подобные явления под влиянием человека часто происходят  в природе и оказывают на нее негативное влияние.

Опыт №2.Наблюдение  явления диффузии в газах

Цель: изучение изменения диффузии газа в воздухе в зависимости от изменения температуры в помещении.

Приборы и материалы: термометр, часы с секундной стрелкой, баллончик с освежителем воздуха.

Описание опыта и полученные результаты: исследовали время распространения запаха в помещении при температуре t  ⁼ +15⁰ (помещение проветриванием доводилось до необходимой температуры). Засекалось время от начала распространения запаха в комнате, до получения явной чувствительности у людей, стоящих на расстоянии 4 м. от исследуемого объекта (баллончика с освежителем воздуха). Затем тщательно проветривали помещение и через 2 часа после данного эксперимента, повышение температуры до 25⁰. Затем опыт повторяли.

Таблица

             Если предположить, что процессы диффузии прямо пропорциональны времени распространения запаха  в помещении, тогда  в результате данного исследования можно выявить зависимость времени распространения запаха  в помещении, а значит и скорости диффузии от изменения температуры воздуха в помещении.

Данные свидетельствуют о том, что скорость распространения запаха  зависит от повышения температуры помещения следующим образом: при повышении температуры с  +15⁰  на 5⁰ данный параметр уменьшился на 12 сек. Это свидетельствует о том, что запах распространился быстрее в 1,2 раза. При дальнейшем повышении температуры помещения на 5⁰ (до 25⁰)   уменьшился на 18 сек, что свидетельствует об ускорении распространения запаха в 1,6 раза. Таким образом, анализ показателей времени распространения запаха  в помещении  показал, что диффузия ускоряется при повышении температуры воздуха в комнате.

Вывод: чем выше температура газов, тем быстрее происходят процессы диффузии. Например, при выбросе горячих газов из труб различных предприятий (или из выхлопных труб автомобилей) эти вредные для здоровья людей и животных вещества распространяются очень быстро. Летом это происходит еще быстрее.

Опыт №3. Влияние различных веществ на поверхности воды на процесс диффузии

Цель: изучить, как различные вещества на поверхности воды влияют на скорость испарения воды и сделать вывод о скорости протекания диффузии.

Приборы и материалы: термометры – 2 шт, часы – 1 шт, тарелки – 2шт, теплая вод, растительное масло.

Описание опыта и полученные результаты: в тарелки была налита вода одинаковой массы и одинаковой температуры (34 градуса), затем в одну тарелку было налито растительное масло (5 мл), а в другой вода оставалась чистой. Растительное масло в нашем опыте имитировало нефть. Засекалось время, через каждые 15 минут снимались показания термометров, помещенных во все жидкости. Результаты измерений зафиксированы в таблице.

При испарении из воды вылетают отдельные молекулы. Так как вода, покрытая пленкой растительного масла, остывает медленнее, то можно судить о том, что и молекулам кислорода труднее проникнуть в воду: рыбы и другие водные обитатели испытывают недостаток кислорода и могут даже погибнуть.

Вывод: наличие различных веществ на поверхности воды нарушает процессы диффузии и может привести к нежелательным экологическим последствиям.

Заключение

Исходя из вышеизложенного можно сделать вывод о том, что диффузия играет огромную роль в жизни человека и животных, без этого явления жизнь на Земле была бы невозможна. Но, к сожалению, люди в результате своей деятельности часто оказывают негативное влияние на естественные  процессы в природе.

Природа широко использует возможности, заложенные в процессе диффузионного проникновения, играет важнейшую роль в поглощении питания и насыщении кислородом крови. В пламени Солнца, в воздухе, которым мы дышим, всюду мы видим проявление всемогущей и универсальной диффузии.

Изучая диффузию, ее роль в экологическом равновесии природы и факторы, влияющие на ее протекание в природе, мы пришли к выводу, что надо почаще привлекать внимание общественности к проблемам окружающей среды.

Когда мы готовили этот доклад, изучали литературу, занимались исследовательской деятельностью, то хотели ,  чтобы люди хранили, ценили нашу природу. Проведя данную работу, мы пришли к выводу, что экологическое воспитание надо осуществлять с малых лет.

Список использованной литературы

1. Детская энциклопедия. Физика и природа. М. «Просвещение», 2009г.
2. Кириллова И.Г. Книга для чтения 6-7классМ., «Просвещение»,1998г.
3. Перышкин А.В. Физика,7 класс, М. «Просвещение». 2013г.
4. Пурышева, Важеевская. Физика 8 класс, М. «Просвещение», 2010г.
5. Сайты интернета:

• wikipedia.org.
• yandex.ru
• 1september.ru