Что доказывает явление диффузии?

Примеры из природы и жизни человека

Диффузионные процессы в газовых средах являются одними из наиболее распространённых в природе, а их проявления окружают человека в его естественной жизнедеятельности, в быту, технике и промышленности. Можно привести достаточное количество простых примеров диффузии в газах, известных по повседневной жизни:

  1. Диффузия атмосферного воздуха — одно из условий возникновения и сохранения жизни на нашей планете. Благодаря процессу поддерживается постоянный и необходимый для живых организмов состав газовой смеси в нижних слоях земной атмосферы.
  2. Дыхание человека и животных обеспечивается постоянным газообменом воздуха в лёгких. В результате газовой диффузии кислород поступает из вдыхаемого воздуха в клетки крови, а углекислый газа из крови — в выдыхаемый воздух. Необходимая скорость процесса поддерживается за счёт разности парциальных давлений газов в альвеолярном воздухе и крови.
  3. Диффузия углекислого газа является условием фотосинтеза растений. При поглощении газа клетками растительных волокон на их поверхности возникает градиент концентрации, вызывающий направленное движение газа из окружающего воздуха к фотосинтезирующим органам растения.
  4. Диффузионные процессы определяют распространение в воздухе запахов, имеющих огромное значение в жизни живых организмов. С их помощью определяется источник пищи или опасности, находится дорога к дому или передаётся информация. Для таких древних и сложных сообществ, как пчелиный рой или муравьиная колония, запаховая сигнализация служит способом коммуникации.

Явление газовой диффузии нашло применение во многих изобретениях человека. Для научных и практических задач основным значением процесса служит управление концентрациями вещества в неоднородных средах. Одни примеры такого применения известны больше, другие — меньше:

  1. Многообразные парфюмерные ароматические изделия — духи, одеколоны, дезодоранты, освежители, применение которых без диффузии трудно представить.
  2. Диффузия помогает обеспечить безопасность при использовании природного газа. Как известно, применяемый в быту и производстве природный газ метан не имеет собственного запаха. Чтобы вовремя обнаружить его утечку, на газораспределительных станциях в него добавляют специальную жидкость этилмеркаптан с резким характерным запахом.
  3. В промышленности, энергетике и санитарии механизм диффузии используется в системах ионной очистки газов.
  4. В космической отрасли явление газовой диффузии служит как причиной многих проблем, так и способом их решения. Одной из проблем является истечение воздуха сквозь материалы космического корабля, в связи с чем его запасы на борту МКС приходится постоянно возобновлять с Земли. Одновременно с этим очистка бортового воздуха от углекислого газа производится на газодиффузионных установках.
  5. Закон Грэма лежит также в основе атмолиза — газодиффузионного метода, применяемого в атомной технологии для разделения изотопов при обогащении урана.

Любопытным для многих будет факт, что упомянутый закон Грэма имеет практическое отношение и к любимым детьми воздушным шарикам.

Литература

1. Ефграфова Н.Н., Каган В.Л. Курс физики для подготовительных отделений вузов: Учеб. Пособие. – 3-е изд., испр. И перераб. – М.: Высш. Шк., 1984.- 487 с., ил.

2. А. В. Пёрышкин Курс физики, ч.II для средней школы Механика (продолжение), теплота и молекулярная физика составлен при участии Н.П. Суворова издание пятнадцатое

Редактор Л.Л. Величко. Художественный редактор Б.Л. Николаев. Технический редактор Н.Н. Махова. Корректор Т.Кузнецова Издательство «Просвещение» Москва 1968

3. Элементарный учебник физики: Учебное пособие. В 3-х т./Под ред. Г.С. Ландсберга. Т. I. Механика. Теплота. Молекулярная физика. – 10- е изд., перераб.- М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1985. -608 с., ил.

4. Семке А.И. «Нестандартные задачи по физике», Ярославль: Академия развития,2007.

5. Шустова Л.В., Шустов С.Б. «Химические основы экологии».М.:Просвещение,1995.

6. Лукашик В.И. Задачник по физике 7-8кл. М.: Просвещение,2002.

7. Кац Ц.Б. Биофизика на уроках физики. М.: Просвещение,1998.

8. Энциклопедия Физика. М.: Аванта +,1999.

9. Богданов К.Ю. Физик в гостях у биолога. М.: Наука,1986.

10. Енохович А.С. Справочник по физике. М.: Просвещение, 1990.

11. Ольгин О. И. Опыты без взрывов. М.: Химия ,1986.

12. Ковтунович М.Г. «Домашний эксперимент по физике 7-11 классы». М.: Гуманитарный издательский центр, 2007.

13. Internet- ресурсы.

17

Причины диффузии

Причиной возникновения диффузии является тепловое движение частиц (атомов, молекул, ионов и т. д.).

Чтобы более детально понять, как работают механизмы диффузии, рассмотрим это явление на конкретном примере. Если взять перманганат калия (в народе более известен как марганцовка) (KMnO4) и растворить в воде (H2O), то марганцовка в результате диссоциации распадется на K+ и MnO4-

Также важно заметить что молекула воды поляризирована и существует в виде сцепленных ионов H+ – OH-

Из-за растворения марганцовки в воде произойдет хаотическое перемещение ионов обоих веществ, вследствие чего сцепленные ионы воды поменяют свой цвет и освободят место для других, еще не реагировавших ионов. Вода поменяет свой окрас и получит специфические свойства. Между водой и марганцовкой совершится диффузия.

Вот так этот процесс выглядит схематически.

Причем движимые частицы во время диффузии, всегда распространяются равномерно по всему предоставленному объему. Сам процесс диффузии занимает определенное время.

Также важно знать, что явление диффузии происходит далеко не со всеми веществами. Например, если воду перемешать не с марганцовкой, а с маслом, то диффузии между ними не будет, так как молекулы масла электрически нейтральны

Образованию какого-то соединения с молекулами воды помешают сильные связи внутри молекулы масла.

Еще стоит заметить, что скорость диффузии значительно увеличится при увеличении температуры, что вполне логично, ведь с увеличением температуры возрастет скорость движения частиц внутри вещества и как следствие, повышается шанс их проникновения в молекулы другого вещества.

Теория диффузионных процессов

В школьном курсе физики диффузия определяется как взаимное проникновение молекул одного вещества между молекулами другого, обусловленное их хаотическим тепловым движением. Причиной процесса является свойственное всем физическим системам стремление к состоянию равновесия, а результатом — равномерное распределение диффундирующих веществ по занимаемому объёму.

История исследования

Первым и наиболее наглядным экспериментальным примером процесса служит броуновское движение микроскопических частиц твёрдого вещества в жидкой или газовой среде, открытое в 1827 году британским ботаником Робертом Броуном. В дальнейшем термин «диффузия» стал применяться только для описания процессов, происходящих на молекулярном уровне:

  1. В этом же году французский учёный Рене Дютроше опубликовал результаты исследований по разделению жидкостей с помощью мембран. На основании опытов с растворами солей, этанолом и маслами им была установлена зависимость скорости диффузии от разности плотностей или концентраций веществ.
  2. Австрийский физик Лошмидт изучил процесс взаимного проникновения углекислого газа и водорода, при этом условия опыта обеспечивали смешивание газов только за счёт молекулярного движения. Учёным был сделан вывод, что соприкасающиеся газы всегда диффундируют друг с другом, за исключением химического взаимодействия веществ. Кстати, и броуновское движение, и диффузия относятся к физическим явлениям, поскольку в процессах не происходит изменений молекул и химического состава веществ.
  3. Английский учёный Томас Грэм начал свою научную деятельность с исследования диффузии применявшегося в XIX веке для освещения городов светильного газа. Впоследствии Грэм разработал метод выделения из воздуха кислорода и азота, методы мембранного разделения и диализной очистки растворов и газовых смесей, вывел закон эффузии (как закон Грэма) об истечении газов через пористую поверхность или искусственную мембрану.
  4. Анализы этих и других исследований дали немецкому физику Адольфу Фику повод провести аналогию между процессами теплообмена и массообмена при диффузии. В результате математическая теория теплопроводности Фурье была применена Фиком для теоретического обоснования диффузионных процессов.

Закон Фика

Количественная теория диффузии, названная впоследствии в честь ученого законом Фика, была представлена в 1855 году. Путем исследований соляных растворов Фик пришел к выводу, что свободная диффузия происходит по законам, аналогичным законам распространения тепла. В основе обоих явлений лежит механизм молекулярного переноса, в одном случае — массы, в другом — энергии.

В одном из первых определений физический смысл закона раскрывался так: количество вещества, проходящее за известное время в направлении убывающей концентрации через элемент поверхности, пропорционально величине этого элемента поверхности, промежутку времени, величине убывания концентрации по направлению течения.

Современная формулировка закона Фика выглядит следующим образом: «Скорость диффузии вещества пропорциональна площади поверхности, через которую переносится вещество, и градиенту концентрации этого вещества».

Математическое уравнение диффузии выражается формулой: Δn/Δt=D∙S∙(ΔC/Δx), где:

  • Δn — количество переносимого вещества (диффузионный поток), моль;
  • Δn/Δt — скорость диффузии, моль/с;
  • D — коэффициент диффузии, м²/с;
  • S — площадь поверхности, м²;
  • ΔC/Δx — градиент концентрации, моль/м⁴.

Количественными характеристиками процесса являются: градиент концентрации (уменьшение концентрации на единицу длины) и коэффициент диффузии, определяемый свойствами среды и типом диффундирующих частиц. Для газовых сред коэффициент диффузии D обратно пропорционален давлению газа, увеличивается пропорционально росту температуры (при постоянном объёме), уменьшается с увеличением молекулярной массы.

Диффундирующее вещество Основное вещество Температура, °C Коэффициент диффузии, м²/с
Водород (газ) Кислород (газ) 0,70∙10-4
Пары воды Воздух 0,23∙10-4
Пары этиленового спирта Воздух 0,10∙10-4
Соль Вода 20 1,10∙10-9
Сахар Вода 20 0,30∙10-9
Золото (твёрдое) Свинец (твёрдый) 20 4∙10-14
Свинец (твёрдый) Самодиффузия 285 7∙10-15

Примеры диффузии в окружающем мире

Благодаря диффузии:

  • поддерживается однородный состав атмосферного воздуха вблизи поверхности нашей планеты,
  • происходит питание растений,
  • осуществляется дыхание человека и животных.

Значимый биологический процесс – фотосинтез осуществляется, в том числе и при помощи диффузии: как мы знаем, благодаря энергии солнечного света вода разлагается хлорофиллами на составляющие, кислород, который выделяется при этом, попадает в атмосферу и поглощается всеми живыми организмами. Так вот, и сам процесс поглощения кислорода человеком и животными, и обмен веществ у растений, все это поддерживается диффузией, без которой не могла бы существовать сама Жизнь.

Но это в глобальном плане, в более простых вещах, мы можем наблюдать диффузию:

  • В саду, где цветы источают свой аромат благодаря диффузии (их частицы перемешиваются с частицами окружающего воздуха).
  • Растворяя сахар в чае или кофе, чай или кофе становится сладким благодаря диффузии.
  • При резке лука у вас начнут слезиться глаза, происходит это тоже по причине диффузии, молекулы лука смешиваются с молекулами воздуха и ваши глаза на это реагируют.

Таких примером можно приводить еще много.

экспериментальный

Поверхностная диффузия может быть изучена с помощью различных методов, в том числе как прямых , так и косвенных наблюдений. Два экспериментальных методов , которые оказались очень полезными в этой области исследования являются поля ионной микроскопии и сканирующей туннельной микроскопии . Визуализируя смещение атомов или кластеров с течением времени, можно извлечь полезную информацию о том , каким образом соответствующие виды диффузного как механистической и скорость связанных с информацией. Для изучения поверхностной диффузии на атомистической масштабе , к сожалению необходимо проводить исследования по строго чистым поверхностям и сверхвысокого вакуум (С) условия или в присутствии небольших количеств инертного газа, как это имеет место при использовании он или Ne в качестве визуализации газа в автоионномикроскопических экспериментах.

Презентация 11 класса на тему: «Диффузия в нашей жизни. РАБОТУ ВЫПОЛНИЛИ: УЧЕНИКИ 11 «А» КЛАССА СШ 22 г. Костанай Нугманов Д. Евстафьев С.». Скачать бесплатно и без регистрации. — Транскрипт:

1

Диффузия в нашей жизни. РАБОТУ ВЫПОЛНИЛИ: УЧЕНИКИ 11 «А» КЛАССА СШ 22 г. Костанай Нугманов Д. Евстафьев С.

2

Древнегреческий учёный Демокрит впервые высказал гениальное предположение о том, что: что все тела состоят из атомов, атомы могут образовать молекулы, все частицы находятся в непрерывном (тепловом) движении. Одним из проявлений такого движения является диффузия. НЕМНОГО ИЗ ИСТОРИИ…

3

Диффузии (лат. diffusio распространение, растекание, рассеивание): Диффузия – это взаимное проникновение молекул одного вещества в межмолекулярные промежутки другого вещества в результате их хаотического движения и столкновений друг с другом. Диффузия (БСЭ) — движение частиц среды, приводящее к переносу вещества и выравниванию концентраций или к установлению равновесного распределения концентраций частиц данного сорта в среде. ПОНЯТИЕ ДИФФУЗИИ

5

Условия прохождения диффузии: имеются различные вещества; между ними существует тесный контакт; происходит самопроизвольное смешивание. УСЛОВИЯ ПРОТЕКАНИЯ ДИФФУЗИИ

6

От агрегатного состояния вещества. От температуры вещества. ОТ ЧЕГО ЗАВИСИТ ДИФФУЗИЯ

7

ДИФФУЗИЯ В ТЕХНИКЕ На явлении диффузии основана диффузионная сварка металлов, когда соединяют между собой металлы, неметаллы, металлы и неметаллы, пластмассы. Детали помещают в закрытую сварочную камеру с сильным разряжением, сдавливают и нагревают до 800 °С. При этом происходит интенсивная взаимная диффузия атомов в поверхностных слоях соприкасающихся материалов.

8

Горючий природный газ, используемый в быту для приготовления пищи, не имеет ни цвета, ни запаха Чтобы сделать поступление газа в помещение заметным, горючий газ предварительно смешивают с резко пахнущими веществами. Это позволяет быстро заметить наличие утечки газа в помещении. ДИФФУЗИЯ И БЕЗОПАСНОСТЬ ЧЕЛОВЕКА

9

ДИФФУЗИЯ В РАСТИТЕЛЬНОМ МИРЕ Дыхание растений. Питание растений. Поглощение CO 2 и выделяют нужный для дыхания человека O 2. Снабжение природных водоёмов и аквариумов кислородом. При отсутствии диффузии произошло бы расслоение тропосферы под действием силы тяжести. CO 2 O2O2 O2O2

10

ДИФФУЗИЯ В ЖИВОТНОМ МИРЕ Находят пищу. Общаются с помощью запахов.

11

ДИФФУЗИЯ В ЖИЗНИ ЧЕЛОВЕКА Дыхание – перенос кислорода из окружающей среды внутрь организма сквозь его покровы. чем больше площадь поверхности тела и окружающей среды чем толще и плотнее покровы тела S лёгких – кв. м, кожи – 2 кв. м. Пищеварение: наибольшее всасывание питательных веществ происходит в тонкой кишке. S внутренней поверхности кишечника человека — 0,65 кв.м; за счёт ворсинок достигает 4-5 кв. м.

12

На явлении диффузии основаны соление овощей, варка варения, получение компотов и многие другие. ДИФФУЗИЯ В БЫТУ

13

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ Эксперимент 1. Зависимость скорости протекания диффузии от температуры. В результате проведения эксперимента выяснили, что в стакане с горячей водой процесс заваривания происходил быстрее. Значит, чем выше температура, тем интенсивнее протекает диффузия.

14

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ Эксперимент 2. Наблюдение проникновения атомов (молекул) одного вещества между молекулами другого вещества. В результате, можно сказать, что мы наблюдали проникновения атомов (молекул) перманганата калия между молекулами воды, то есть диффузию.

15

Эксперимент 3. Наблюдение диффузии в газах. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ В газах диффузия протекает значительно быстрее, чем в жидкостях. Это обусловлено тем, что между молекулами газа расстояние значительно больше, чем между молекулами жидкости, а значит и молекулы одного вещества быстрее проникают между молекулами другого вещества. Поэтому диффузия происходит быстрее.

16

Благодаря диффузии кислород из лёгких проникает в кровь, с из крови в ткани. Питательные вещества благодаря диффузии из кишечника поступают в кровь. Вследствие диффузии газов состав воздуха у поверхности Земли однороден. Диффузия играет существенную роль в питании растений и животных. На явлении диффузии основана консервация продуктов питания. Явлении диффузии используется при извлечении сахара из свеклы на сахарных заводах, при диффузионной сварке материалов. ВЫВОД

анизотропность

Ориентационная анизотропия принимает форму разницы в обеих скоростях диффузии и механизмах при различных поверхностных ориентациях данного материала. Для данного кристаллического материала , каждый из индекса Миллера плоскость может отображать уникальные явления диффузии. Закрыть упакованные поверхности , такие как ГЦК (111) , как правило, имеют более высокие скорости диффузии , чем , соответственно , более «открытые» грани одного и тот же материал , такие как ГЦК (100).

Направленная анизотропия относится к разнице в механизме диффузии или скорости в определенном направлении на заданном кристаллографической плоскости. Эти различия могут быть результатом либо анизотропий в поверхностных решетках (например, прямоугольная решетка ) или при наличии шагов на поверхность. Одним из наиболее ярких примеров направленной анизотропии является диффузия адатомов на каналированных поверхностях , таких как ГЦК (110), где диффузия вдоль канала намного быстрее , чем диффузии через канал.

Ссылка на основную публикацию