Внимание! Если скачанный файл открывается с ошибкой, то попробуйте открыть его на другом устройстве или в облаке. Если ничего не помогло, то напишите нам.
Молекулы – это мельчайшие частицы вещества, определяющие его свойства.
Атомы – это мельчайшие электронейтральные частицы, из которых состоят молекулы веществ.
Диффузией называют явление, при котором происходит взаимное проникновение молекул одного вещества между молекулами другого.
Диффузия пахучих веществ обнаруживается по запаху, который распространяется не мгновенно, а спустя некоторое время, так как движению молекул пахучего вещества препятствуют молекулы газов, составляющих воздух. Молекулы пахучего вещества проникают в промежутки между молекулами газов. Поэтому пахучее газообразное вещество распространяется в воздухе самопроизвольно.
Ионы – это положительно или отрицательно заряженные частицы, образовавшиеся из атомов.
Из ионов состоят поваренная соль, сода, перманганат калия.
Для таких веществ характерна диффузия. Например, диффузию можно наблюдать при постепенном растворении кристаллов марганцовки в воде.
Броуновским движением называется беспорядочное движение мельчайших частиц в жидкой или газообразной среде.
Можно опытным путем смоделировать броуновское движение. Для этого нужно нанести на предметное стекло каплю воды и подкрасить ее небольшим количеством черной туши, предварительно разведенной водой до светло-серого цвета. Накрыть каплю покровным стеклом и наблюдать под микроскопом как черные частицы туши совершают самопроизвольное движение.
Броуновское движение доказывает существование молекул.
Для наблюдения броуновского движения нужно использовать предметное стекло, покровное стекло, кисточку, микроскоп.
Диффузия: причины, особенности процесса, примеры в природе
Содержание:
Определение
Само слово «диффузия» латинского происхождения – «diffusio» в переводе с латыни означает «распространение, рассеивание». В физике под диффузией подразумевается процесс взаимопроникновения микрочастиц при соприкосновении разных материалов. Академическое определение того, что такое диффузия, звучит следующим образом: «Диффузия – это взаимное проникновение молекул одного вещества в межмолекулярные промежутки другого вещества вследствие их хаотичного движения и столкновения друг с другом». Какие свойства диффузии, причины ее возникновения, как проявляется этот процесс в разных веществах, об этом читайте далее.
Причины
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.
Формула
Процесс диффузии в двухкомпонентной системе записывается при помощи закона Фика, и соответствующего уравнения:
В этом уравнении J – плотность материала, D – коэффициент диффузии, а ac/dx – градиент концентрации двух веществ.
Коэффициентом диффузии называют физическую величину, которая численно равна количеству диффундирующего вещества, которое проникает за единицу времени через единицу поверхности, если разность плотностей на двух поверхностях, находящихся на расстоянии равном единице длины, равна единице. Важно заметить, что коэффициент диффузии зависит от температуры.
В твердых телах
В твердых телах диффузия происходит очень медленно, если вообще происходит. Ведь для твердых тел характерно наличие кристаллической решетки, а все частицы расположены упорядочено.
Примером диффузии твердых тел может быть золото и свинец. Расположенные на расстояние 1 метра друг от друга, при комнатной температуре в 20 С, эти вещества будут понемногу проникать друг в друга, но будет это все идти очень медленно, подобная диффузия станет заметной не ранее чем через 4-5 лет.
В жидкостях
Скорость протекания диффузии в жидкостях в разы выше, нежели в твердых телах. Связи между частицами в жидкости гораздо слабее (обычно их энергии хватает максимум на образование капель), и взаимному проникновению частиц в молекулы двух веществ ничто не мешает.
Правда то, как быстро будет проходить диффузия, зависит от характера и консистенции жидкостей, в более густых растворах она происходит медленнее, ведь чем гуще жидкость, тем более сильные в ней связи между молекулами и тем труднее молекулам и частицам проникать друг в друга. Например, смешивание двух жидких металлов может занять несколько часов, в то время как смешивание воды и марганцовки (из примера выше) осуществляется за минуту.
В газах
В газах диффузия происходит еще быстрее, чем в жидкости, связи между частицами газообразных веществ практически отсутствуют, и никак не сцепленные частицы легко перемешиваются друг с другом, проникая в молекулы других газов. Небольшие коррективы при диффузии газов может вносить разве только гравитация.
Примеры в окружающем мире
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:
Таких примером можно приводить еще много.
Видео
И в завершение образовательное видео по теме нашей статьи.
Автор: Павел Чайка, главный редактор журнала Познавайка
При написании статьи старался сделать ее максимально интересной, полезной и качественной. Буду благодарен за любую обратную связь и конструктивную критику в виде комментариев к статье. Также Ваше пожелание/вопрос/предложение можете написать на мою почту pavelchaika1983@gmail.com или в Фейсбук, с уважением автор.
Эта статья доступна на английском языке – Diffusion.
Для демонстрационных опытов: Емкость с водой, краска, кисточка.
Для фронтальной работы с классом: АРМ учителя (компьютер, мультимедийный проектор, доступ к сети Интернет).
План урока:
Ход урока
I. Организационный момент.
Здравствуйте, ребята! Сегодня мы познакомимся с явлением, которое играет очень важную роль в природе. Это явление мы с вами встречаем на каждом шагу, не задумываясь об этом. Для того, чтобы узнать о нем, мы проведем серию экспериментов, а в некоторых из них вы сами выступите в качестве ученых-экспериментаторов.
II. Актуализация знаний.
Чтобы узнать тему урока, разгадаем кроссворд:
Итак, тема нашего урока – диффузия (пишем в тетрадь).
III. Изучение нового материала.
Проведем небольшой эксперимент (постановка проблемы). Возьмем стакан с чистой водой и капнем в него краской. Что происходит?(ответы учащихся в тексте выделены курсивом).
Происходит окрашивание чистой воды.
Почему происходит это явление?
Вода и краска состоят из молекул. Молекулы меняются местами.
Почти так. Правильнее будет сказать, что молекулы краски проникают в промежутки между молекулами воды. В каком случае молекулы разных веществ могут перемешиваться?
Это возможно только в том случае, если молекулы движутся.
Верно. Само явление, которое вы наблюдали в процессе опыта, и называется диффузией.
А теперь посмотрим на экран [4].
В комнату внесли пахучее вещество (духи). Через некоторое время их запах распространился по всей комнате. Как вы думаете, почему это произошло?
Запах распространяется, так как молекулы духов движутся в воздухе и сталкиваются с молекулами воздуха. Из-за этого молекулы все время меняют направление своего движения и разлетаются по комнате.
Помогает ли кто-нибудь молекулам перемешиваться?
Нет, они делают это сами.
Значит, явление диффузии происходит самопроизвольно. Запишем наши выводы в тетрадь:
IV. Физкультурная пауза.
Вы наверное устали? Ну тогда все дружно встали. Ножками потопали, Ручками похлопали, Покрутились, повертелись, И за парты все уселись.
V. Работа в группах.
А теперь я предлагаю вам самим стать экспериментаторами и поработать в группах. Каждая группа получит задание на карточке (приложение 1), в котором описана последовательность исследования. Результаты, полученные в ходе выполнения опытов, также записываются на карточке для записи результатов (приложение 2).
№
Задание
Описание.
1
Выясните, при каких условиях диффузия происходит быстрее.
Возьмите две кружки, налейте в них одинаковое количество холодной воды. В каждую кружку поместите одновременно по куску сахара. Включите секундомер в момент начала перемешивания.
В кружке №1 воду не перемешивайте. В кружке №2 воду перемешивайте с помощью ложки.
Измерьте время растворения сахара в кружках №1 и №2. Запишите полученные результаты на карточке.
На основании результатов опыта сделайте вывод о зависимости быстроты растворения сахара от перемешивания. Поясните ответ.
При дополнительном перемешивании веществ диффузия протекает быстрее, так как молекулы движутся с большей скоростью.
2
Выясните, при какой температу-ре диффузия происходит быстрее.
Возьмите 2 кружки. Налейте в одну кружку холодную воду, во вторую – столько же горячей.
Одновременно опустите в каждый стакан по одному куску сахара. Включите секундомер в момент начала опыта.
Измерьте время растворения сахара в каждом стакане. Запишите полученные результаты на карточке.
Сделайте вывод о зависимости быстроты протекания диффузии от температуры вещества. Поясните ответ.
Чем выше температура вещества, тем выше скорость движения молекул и тем быстрее протекает диффузия.
3
Выясните, где диффузия происходит быстрее: в газах или в жидкостях?
Задание №1. Откройте на короткое время пробирку с ватой, смоченной нашатырным спиртом. Закройте пробирку.
Что вы почувствовали? Как можно объяснить распространение запаха?
Задание №2. На лист бумаги, лежащий на столе, налейте немного холодной воды из кружки и в середину образовавшейся капли поместите маленькую капельку зеленки?
Какое явление вы наблюдаете?
Сделайте вывод: в каком из двух опытов диффузия протекала быстрее?
Распространение запахов происходит из-за того, что молекулы пахучего вещества движутся, молекулы на своём пути сталкиваются с молекулами газов, которые входят в состав воздуха, постоянно меняют направление движения и, беспорядочно перемещаясь, разлетаются по всей комнате. Диффузия в газах происходит быстрее, чем в жидкостях.
4
Наблюде- ние диффузии.
Возьмите крупинки кофе, насыпьте в воду. Какое явление вы наблюдаете? Что является причиной, а что результатом данного явления?
Мы наблюдаем диффузию. Причина – движение молекул, результат – смешивание веществ и окрашивание воды.
5
Наблюде-ние диффузии в твердых телах.
Положите кусочки краски на парафиновую (восковую) пластинку. Через некоторое время снимите краску. Что произошло?
Объясните наблюдаемое явление.
Это диффузия красящего вещества и парафина – двух твердых тел. Значит, диффузия может идти и в твердых телах.
Ребята, вы молодцы. По результатам своих опытов сделайте вывод – в каких веществах может происходить диффузия?
Диффузия происходит в твердых, жидких и газообразных телах.
Запишите этот вывод в тетрадь.
Быстрее диффузия происходит в газах, медленнее всего – в твёрдых телах.
VI. Закрепление.
№1. Если в чайник с холодной водой незаметно опустить протекающую авторучку, то через некоторое время можно потчевать гостей слабым чернильным чаем. Что доказывает это явление? Станет ли чай крепче, если в чайнике с авторучкой окажется горячая вода?
№2. Четырёхлетняя Маша подкралась у мамы за спиной к зеркалу и, действуя совершенно бесшумно, вылила себе на голову три флакона французских духов. Как мама, сидя к Маше спиной догадалась о случившемся?
№3. Открытый сосуд с углекислым газом уравновесили на весах. Почему со временем равновесие весов нарушилось?
№4. Почему не рекомендуется мокрую окрашенную ткань оставлять на длительное время в соприкосновении с белой тканью?
№5. При разборке старых, простоявших добрую сотню лет строений, части которых скреплялись железными болтами, обнаружилось, что гайки невозможно открутить, так как они срослись с болтами и стали одним целым. Не заржавели, а именно срослись. Объясните явление.
№6. Морское животное кальмар при нападении на него выбрасывает темно-синюю жидкость. Почему через некоторое время пространство, заполненное этой жидкостью, даже в спокойной воде становится прозрачным?
№7. Где лучше сохранить надутый резиновый шарик, наполненный водородом – в холодном или теплом помещении? Почему?
№8. Найдите ошибку в высказываниях:
VII. Итоги урока.
Наш урок подходит к концу. Какое новое явление мы сегодня изучили? Почему оно происходит?
Нескучный урок физики в 7-м классе по теме: «Диффузия»
Разделы: Физика
Тип урока: комбинированный.
Ход урока.
1. Оргмомент
2. Повторение
(На столе листы с текстом физического диктанта (1-2 вариант). Школьники записывают под соответствующим номером «да», если они считают это утверждение верным, или «нет», если считают его неверным)
3. Основной материал.
Урок начинаю с распыления освежителя; в случае, если ученик почувствовал запах, он должен встать. Таким образом, постепенно, через пару минут, встанут все учащиеся класса. Они безошибочно определят, что за освежитель был распылен.
У меня на столе в высокий стакан налиты две жидкости: снизу голубой раствор медного купороса, сверху – вода; между ними резкая граница. Если купорос и вода способны самопроизвольно смешаться, то граница между ними должна исчезнуть. Предлагаю ученикам следить за этой границей между жидкостями.
В это время демонстрирую диффузию газов на следующем опыте: к внутренним стенкам высокого цилиндрического сосуда прикрепляю смоченные фенолфталеином полоски белой бумаги. Цилиндр закрываю сверху картоном с прикрепленным к нему кусочком ваты, смоченной нашатырным спиртом. Газ аммиак диффундирует вниз. Если аммиак и воздух перемешиваются, то рано или поздно полоски бумаги окрасятся в ярко-малиновый цвет.
Предлагаю также следить за их цветом.
Хорошо очищенные и плотно прижатые друг к другу пластины из золота и свинца диффундируют на глубину 1мм за 5 лет.
Демонстрация диффузии кристаллов йода на стекле под слоем парафина.
(парафин около кристалликов йода окрасился в коричневый цвет)
Учитель: Итак, что же произошло за это время в первых двух экспериментах?
Учащиеся: Граница между жидкостями не изменилась, а листочки окрасились, т.е. аммиак и воздух перемешались в сосуде.
Учитель: Однако смотрите, что получилось в стакане, куда аккуратно налили купорос и воду неделю назад.
Учащиеся: Граница размыта, купорос и вода перемешались.
Учитель: Сформулируйте ответ, вытекающий из наблюдений и опытов.
Учащиеся: Если привести в соприкосновение твердые тела, жидкости или газы из разных веществ, то они сами собой смешиваются.
Учитель: Мы познакомились с новым явлением, в физике оно известно под названием ДИФФУЗИЯ.
(Работа с учебником, запись определения в тетрадь.)
Явление, при котором происходит самопроизвольное взаимное проникновение молекул одного вещества между молекулами другого, называют диффузией
(В итоге, в тетради обучающихся и на доске создается опорный конспект. Смотри приложение №1.)
(Достаточно эффектно видно, как проникают крупинки пшена в промежутки между горошинами)
После проведенного эксперимента и беседы с учащимися подчеркиваю, что явление диффузии происходит без вмешательства извне, за счет движения самих молекул, т.е. может быть объяснено только тем, что молекулы беспрерывно и беспорядочно движутся и сталкиваются.
Учитель: Как будет вести себя маленькая частичка нерастворимого вещества в жидкости, если окружающие ее молекулы жидкости непрерывно и беспорядочно движутся?
Учащиеся: Молекулы, окружающие частицу, движутся в разных направлениях, часть из них ударяются о частицу. Поскольку частица маленькая, она может двигаться под действием этих ударов. Т.к. молекулы движутся беспорядочно, то число ударов с разных сторон в один и тот же момент различно, и частица будет двигаться то в одну, то в другую сторону, беспорядочно.
(демонстрация с помощью прибора «Модель броуновского движения»)
Явление беспорядочного движения взвешенных нерастворимых частиц вещества в жидкости или газе называют броуновским движением.
Откуда такое название, вы узнаете дома из учебника. Пронаблюдать броуновское движение можно под микроскопом, на перемене это каждый сможет сделать.
Различие в скорости протекания диффузии твердых тел, жидкостей и газов объясняют ученики.
Цель: расширить знания о диффузии, объяснить физическую природу явления диффузии, подтвердить теоретические факты опытными результатами, обобщить приобретённые знания и сделать выводы
Диффузия – это взаимное проникновение одного вещества между молекулами другого.
Большую роль в жизни живой природы играют диффузионные процессы, определяющие нормальный обмен веществ между организмом и средой, а также между различными частями самого организма. Питание и дыхание – типичные диффузионные процессы. В процессе дыхания происходит диффузия кислорода О2 и углекислого газа СО2 через стенку легочного пузырька. Для понимания этих процессов необходимо учитывать условия, обеспечивающие или затрудняющие диффузию. Так, дыхание – диффузия кислорода из окружающей среды внутрь организма сквозь его покровы – происходит тем быстрее, чем больше поверхность соприкосновения тела и окружающей среды, и тем медленнее, чем толще и плотнее покровы тела. Отсюда понятно, что малые организмы, у которых размеры поверхности велики сравнительно с объемом тела, могут обходиться вовсе без специальных органов дыхания, удовлетворяясь притоком кислорода исключительно через наружную оболочку (если она достаточно тонка и увлажнена). У организмов более крупных дыхание через кожу может оказаться более или менее достаточным только при условии, если покровы чрезвычайно тонки (земноводные); при грубых покровах необходимы специальные органы дыхания. Основные физические требования к этим органам – максимум поверхности и минимум толщины и увлажненность покрова.
Бесспорно, анализируя этот аспект жизнедеятельности всех живых существ, диффузия играет огромную роль.
Проведем ряд опытов, доказывающих практическую значимость диффузии.
«Диффузия в жидкостях»
(учебник «Физика. 7 класс» А.В. Перышкин, Дрофа, 2012. Параграф 10, «Диффузия в газах, жидкостях и твердых телах», рис. 24, задание после параграфа № 2.)
Предметы и материалы
Проводим эксперимент
Капнем в воду немного йода и проследим за ее поведением.
Гипотеза
Действительно ли капля йода постепенно раствориться в воде, окрасив ее в соответствующий цвет.
Перед началом опыта необходимо тщательно зачистить стугом свинцовые поверхности цилиндров. Устанавливаем цилиндры в устройство для фиксации, прижав их друг к другу зачищенными поверхностями прижимным винтом. Закручиваем прижимной винт. Подождав некоторое количество времени можно слабить прижимной винт, достать сцепленные цилиндры.
Гипотеза
Действительно ли два свинцовых цилиндра будут соединены между собой.
Объясняем
Зачищение свинцовых цилиндров необходимо для того, чтобы максимально выровнить поверхности и очистить от окисления. Тем самым мы добиваемся наиболее плотного прилегания одной поверхности к другой. На данном этапе очень хорошо заметно проявление сил притяжения между молекулами, когда они находятся очень близко друг к другу. Но чем дольше цилиндры будут сцеплены и находясь под некоторым грузом, все отчетливее будет взаимное проникновение молекул одного цилиндра между молекулами другого – диффузия.
«Зависимость диффузии от температуры»
(учебник «Физика. 7 класс» А.В. Перышкин, Дрофа, 2012. Параграф 10, «Диффузия в газах, жидкостях и твердых телах», задание после параграфа № 1.)
Предметы и материалы
Проводим эксперимент
Нальем в один стакан воду комнатной температуры, а в другой горячую воду. Опустим в каждый из стаканов по одной чайной ложке сахара.
Гипотеза
Действительно ли в стакане с горячей водой сахар раствориться быстрее.
Объясняем
Нам известно, что при любой температуре в веществе есть молекулы, двигающиеся довольно медленно, и молекулы, скорость которых высока. Если количество молекул вещества, имеющих высокую скорость, увеличивается, т. е. увеличивается средняя скорость молекул, то это значит, что температура вещества также увеличивается. Чем быстрее будут двигаться молекулы воды, тем чаще они будут соударяться с молекулами сахара, и тем быстрее будет происходить процесс взаимного перемешивания одного вещества с другим. С увеличением температуры процесс взаимного проникновения молекул воды между молекулами сахара – диффузия – происходит гораздо быстрее.
На практике
В природе
Интересные факты о диффузии
Около 27 тонн космической пыли падает на Землю каждый день. За год более 10 000 тонн пыли приземляется на Землю.
Если очень гладко отшлифованные пластинки свинца и золота положить одна на другую и поставить на них некоторый груз, то через 4-5 лет они проникнут взаимно друг друга на 1 мм.
В сказках диффузия помогает героям. Отрывок из ассирийской сказки «Царь Зимаз»: «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».
А пословицы – это сплошная диффузия:
«Как муравьи находят путь домой?»
Муравьи помечают свой путь капельками пахучей жидкости, они прижимаются брюшком к земле и передают ей свой запах. Некоторые муравьи не всегда бегут точно по намеченному пути, а сбоку от трассы, потому что запах достаточно силен. Потеряв след, они кругами вновь находят «дорогу» и спешат по ней. Муравьиные трассы бывают длиной несколько метров.
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.
