Исследовательский проект

Каким был бы мир без диффузии?

Министерство иностранных дел РоссииОсновная общеобразовательная школа при

Посольстве России на Мадагаскаре

Г. Антананариву, 2014

Проект выполнила: Пономарева Дарья – ученица 7 классаРуководители: Е.Н. Середухина – учитель физикиМ.А. Глухова – учитель химии

В небе тают облака, бабочки, порхая меж растений, всегда находят дорогу к красивому цветку, пчелы, обнаружив сладкий объект, штурмуют его своим роем….Многие природные явления связаны с процессами диффузии, о которой мы говорили на уроках физики, но говорили так мало!Свой проект я доверю представлять двум вездесущим подружкам-близняшкам – молекулам «Любопышкам». Почему? Это - очевидно : они главные герои моей истории.

Приглашаем Вас в увлекательное путешествие

вглубь вещества!

«Самое могущественное в мире то, что не видно, не слышно и не осязаемо.» Лао-Тсе

Вы, может быть, думаете, что это облака? Вовсе нет, это капли краски растворяются в воде. Происходит диффузия. Именно она поможет нам увидеть движение молекул вещества.

Цели работы:

•Расширить и углубить знания о диффузии.• Смоделировать отдельные диффузионные процессы.•Создать дополнительный материал в игровом виде в компьютерном исполнении для использования на уроках физики.

Задачи:

•Найти необходимый материал в литературе, интернет-сети, изучить и проанализировать его.•Выяснить, где в живой и неживой природе встречаются явления диффузии, какое значение они имеют, где применяются человеком, и на этой основе создать игру – физический лабиринт.•Описать и спроектировать наиболее интересные опыты по данному явлению.

Методы:

•анализ и синтез литературы• проектирование,•моделирование.

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». Видимые только под микроскопом взвешенные частицы размером 1 мкм и менее совершали неупорядоченные независимые движения, описывая сложные зигзагообразные траектории. Броуновское движение не ослабевает со временем и не зависит от химических свойств среды; его интенсивность увеличивается с ростом температуры среды и с уменьшением ее вязкости и размеров частиц. Даже качественно объяснить причины броуновского движения удалось только через 50 лет, когда причину броуновского движения стали связывать с ударами молекул жидкости о поверхность взвешенной в ней частицы. Модель движения: http://school-collection.edu.ru/catalog/res/88f2ea3f-1732-4c72-8513-3dba9b8ae057/view/БРОУНОВСКОЕ ДВИЖЕНИЕ – это беспорядочное движение мельчайших частиц, взвешенных в жидкости или газе, происходящее под действием ударов молекул окружающей среды. Открыто Р. Броуном в 1827 г.

Немного истории

Различают диффузию и самодиффузию.Диффузией называется самопроизвольное проникновение молекул одного

вещества в промежутки между молекулами другого вещества. При этом происходит перемешивание частиц. Диффузия наблюдается для газов, жидкостей и твердых тел. Например, капелька чернил перемешивается в стакане воды. Или запах одеколона распространяется по всему помещению.

Диффузия, как и самодиффузия, существует, пока есть градиент плотности вещества. Если плотность какого-либо одного и того же вещества неодинакова в разных частях объема, то наблюдается явление самодиффузии. Самодиффузией называется процесс выравнивания плотности (или пропорциональной ей концентрации) одного и того же вещества. Диффузия и самодиффузия происходят благодаря тепловому движению молекул, которое при неравновесных состояниях создает потоки вещества.

Немного теории

Вспомним основные положения МКТ:

«Один опыт я ставлю выше 1000 мнений, рожденных

воображением»,- писал М.В. Ломоносов.

Значит, для изучения особенностей явления диффузии необходимо

выполнить эксперименты.

Опыт 1: Моделирование проникновения молекул одного вещества между молекулами другогоСмешивание известных объёмов круп с зёрнами разного размера является хорошей моделью

проникновения молекул одного вещества между молекулами другого(обычно это демонстрируется при смешивании воды и этилового спирта).

Возьмём два стеклянных или разовых стакана вместимостью

200 мл и один стакан вместимостью 500–1000 мл.

Отмерим стакан риса и стакан пшена

Ссыплем всё в большой стакан и перемешаем.

С помощью цветной кольцевой резинки

зафиксируем суммарный уровень круп.

Затем в те же стаканы доверху нальём воды и перельём её в

такой же стакан, как тот, в котором смешивали крупы.

Сравним уровень воды с суммарным уровнем круп.

Результат: суммарный объём круп (суммарный объём воды) больше объёма, занимаемого перемешанными крупами: одна мера плюс одна мера меньше двух мер. Предложенная модель является только грубым приближением, показывающим, что между молекулами жидкости есть промежутки даже при несжимаемости жидкости. Строго говоря, надо учитывать взаимодействие молекул, а не только их взаимодействие с Землёй.

Объём смеси воды и песка в пробирке меньше суммы объёмов воды и песка. Вывод 1:

Опыты 1 и 2 доказывают, что между частицами вещества существуют промежутки; во время диффузии они заполняются частицами вещества –

«пришельца».

Возьмем два сосуда: один наполнен водой, другой

таким же объемом песка.

Воду выльем в сосуд с песком. Сравним полученный объем

песка с двойным объемом воды.

Опыт 2: Моделирование проникновения молекул одного вещества между молекулами другогоСмешивание известных объёмов воды и песка также является хорошей моделью проникновения молекул одного вещества между молекулами другого(обычно это демонстрируется при смешивании воды и этилового спирта).

Опыт 3: Диффузия в жидкостях ( качественное описание)В прозрачный одноразовый стакан нальём водный раствор поваренной соли такой концентрации, чтобы в нём плавало куриное яйцо, чуть-чуть выступая над поверхностью. Затем яйцо вынем из стакана, а раствор для очистки от органических примесей прокипятим и пропустим через марлевый фильтр (4–5 слоёв марлевого бинта). Получим прозрачный солевой раствор, снова сольём его в стакан и опустим туда яйцо (раствор для наглядности подкрашен черной тушью).

Сверху с помощью марлевого фитиля (косичка из трёх марлевых бинтов шириной 7–10 см) добавим чистую

пресную воду. При таком осторожном способе добавления воды , пресная вода

не смешивается с солёной, а образует верхний (бесцветный)слой. На фото видно, что яйцо немного всплыло из

окрашенного раствора. Это связано с тем, что теперь на яйцо действует

дополнительная выталкивающая сила со стороны чистой воды. Заметна достаточно

резкая граница между окрашенной (солевой раствор) и неокрашенной

(пресная вода) жидкостями.

По мере протекания диффузии граница постепенно размывается, черная окраска

смещается в сторону чистой воды (на фото показано состояние системы через сутки).

Индикатором протекания диффузии (и, следовательно, изменения плотностей

солевого раствора и пресной воды) является яйцо, которое постепенно погружается в

раствор по мере его опреснения.

на фото показано состояние системы

через 10 суток : окраска стала

однородной, часть воды испарилась,

поэтому яйцо всплыло.

Опыт 4: взаимная диффузия раствора фенолфталеина и концентрированного раствора пищевой соды (простейшее количественное описание скорости

диффузии.)

Приготовим почти насыщенный водный раствор пищевой соды. Нальём его в

стеклянный стаканчик(раствор не должен попасть на стенки выше этого уровня!). Во

второй стаканчик нальём 50 мл чистой водыи добавим туда 5–7 капель 10%-ного спиртового раствора фенолфталеина.

Поставим второй стаканчик на подставку. Смочим в нём марлевый фитиль-сифон. Вытащим часть фитиля, слегка отожмём, опустим в стаканчик с раствором соды до

касания с поверхностью жидкости и «перельём» некоторое количество воды с

фенолфталеином в стакан с раствором питьевой соды.

Опыт 4: взаимная диффузия раствора фенолфталеина и концентрированного раствора пищевой соды.

В силу того, что вода с фенолфталеином менее плотная, чем концентрированный раствор соды, она, перетекая по марлевому сифону-фитилю, разливается по поверхности

раствора соды. Сода – соль слабой кислоты, поэтому раствор имеет щелочной характер, а фенолфталеин – индикатор щёлочной среды. Граница раздела двух растворов(только

граница!) сразу принимает малиновую окраску. Сверху и снизу – прозрачные неокрашенные жидкости!

Опыт 4: взаимная диффузия раствора фенолфталеина и концентрированного раствора пищевой соды.

10 делений – 15 мм =>1 деление – 1,5 ммРассчитаем среднюю скорость диффузии вверх:Vср = = 0,1 мм/минСкорость диффузии вниз:Vср = = 0,007 мм/мин

начало через 30 мин

через 60 мин

0

1

2

3

4

5

6

7

вверхвниз

График скорости

Опыт 4: Взаимная диффузия раствора фенолфталеина и концентрированного раствора пищевой соды.

Натекающая сверху вода с фенолфталеином некоторое время, пока не успела пройти диффузия, остаётся бесцветной. Через 20-30 мин становится заметным распространение малиновой окраски вверх (фото слева).Через несколько часов верхняя часть жидкости в

стаканчике принимает розовую окраску (фото справа). На фотографиях видно, что в нижнюю часть окраска распространяется значительно медленнее.

Вывод 2:Наблюдается неодинаковая скорость распространения малиновой окраски вверх и вниз,

что свидетельствует о зависимости скорости диффузии от массы молекул. Распространение окраски в обе стороны от первоначальной границы свидетельствует о

двухстороннем размывании границы раздела диффундирующих жидкостей. Диффузия в жидкостях – перемешивание против силы тяжести жидкостей разной

плотности

+ = +О

Н

Ind Н О

Н

Н

Ind

Быстрые(легкие)

Медленные(тяжелые)

Обоснование распространения окраски фенолфталеина в растворе соды

На дно стеклянного сосуда наливаем немного

нашатырного спирта, а ваткой, смоченной фенолфталеином,

накрываем его.

Рассчитаем скорость распространения молекул аммиака : v=s/t=0,175м: 5,2 с=0,033м/с

Где s – расстояние от уровня нашатырного спирта до диска, смоченного фенолфталеином,

t- время от начала опыта до окрашивания диска

Опыт 5: Диффузия в газах Результат: Ватку с фенолфталеином окрашивают молекулы нашатырного спирта. Известно, что масса

молекулы нашатырного спирта 17 а.е.м., масса молекулы воздуха 29 а.е.м., следовательно,

перемешивание молекул происходит не под

действием силы тяжести, а вследствие теплового

движения.

Вывод 3:Опыты 4-6 показывают, что скорость диффузии зависит от агрегатного

состояния вещества. В газах диффузия протекает с наибольшей скоростью, а в твердых телах с наименьшей.

Опыт 6: Диффузия в твердых телах

На кусочки льда насыпать порошок марганцовки,

поместить все в пакет и оставить в морозильной камере.

Через 15 дней видно, что произошло частичное

окрашивание кусочков льда.

Опыт 7: Диффузия в холодной и горячей воде

Добавить в холодную воду зеленую краску, а в горячую – желтую. За одинаковое время в горячей краске равномерное

окрашивание происходит быстрее. Размешать до

однородной окраски холодную воду в стакане.

В других сосудах вновь добавить краски в

холодную и горячую воду, после размешивания

набрать в шприцы окрашенную жидкость.

Добавить зеленой жидкости из шприца в стакан с желтой краской,

а в стакан с зеленой краской -желтую жидкость из шприца.

Очевидно, что в правом сосуде, где вода была горячей, окраска стала равномерной, в левом же сосуде,

где вода была холодной, изменение окраски произошло

только в верхнем слое.

Вывод 4Диффузия происходила быстрее в том сосуде, где температура воды была

выше.

В пламени Солнца, жизни и смерти далёких светящихся звёзд, в воздухе, которым мы дышим, в изменении погоды, практически во всех физических явлениях мы видим проявление всемогущей диффузии!

Убедитесь в этом и ВЫ!

в РАСТИТЕЛЬНОМ МИРЕ

ДИФФУЗИЯ

вЖИВОТНОМ МИРЕ

ВЖИЗНИ ЧЕЛОВЕКА

В БЫТУ

В ТЕХНИКЕ

И БЕЗОПАСНОСТЬ ЧЕЛОВЕКА

ДИФФУЗИЯ В РАСТИТЕЛЬНОМ МИРЕ

Дыхание растений.

Питание растений.

Поглощение и выделение нужного для дыхания человека .

Снабжение природных водоёмов и аквариумов кислородом.

При отсутствии диффузии произошло бы расслоение тропосферы под действием силы

тяжести.

CO2

O2

O2

CO2 O2

ДИФФУЗИЯ В ЖИВОТНОМ МИРЕ

Находят пищу.

Общаются с помощью запахов.

ДИФФУЗИЯ В ЖИЗНИ ЧЕЛОВЕКА

Дыхание – перенос кислорода из окружающей среды внутрь организма сквозь его покровы.

чем больше площадь поверхности тела и окружающей среды

БЫСТРЕЕ

МЕДЛЕННЕЕ

чем толще и плотнее покровы

тела

S лёгких – 90-100 кв. м, кожи – 2 кв. м.

Пищеварение: наибольшее всасывание питательных веществ происходит в тонких кишках.

S внутренней поверхности кишечника человека - 0,65 кв.м; за счёт ворсинок достигает 4-5 кв. м.

На явлении диффузии основаны соление овощей, варка варения, получение компотов...

ДИФФУЗИЯ В БЫТУ

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.

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

Каким вообще был бы мир без диффузии? Прекратись тепловое движение частиц – и вокруг всё станет мёртвым!

Диффузия – фундаментальное явление природы. Оно лежит в основе превращений вещества и энергии. Его проявления имеют место на всех уровнях организации природных систем на нашей планете, начиная с уровня элементарных частиц, атомов и молекул, и заканчивая геосферой.

В своей работе я обобщила собранный по теме материал и подготовила для его защиты презентацию, сделанную в редакторе Power Point.

Некоторые описанные в литературе опыты были повторены и немного видоизменены мной. В ходе них сделаны конкретные выводы: диффузия в газах, в жидкостях происходит за счет перемешивания

молекул против силы тяжести; диффузия происходит и в твердых телах; скорость диффузии зависит от агрегатного состояния вещества, от

температуры, от массы молекул; в газах диффузия протекает с наибольшей скоростью; в твердых телах с

наименьшей; диффузия, как и броуновское движение, является наглядным

доказательством непрерывного движения молекул во всех веществах. Наиболее интересные примеры диффузии в живой и неживой природе

представлены в игре «Физический лабиринт».

Физический лабиринт

• Вашему вниманию представлена игра «Физический лабиринт» Предполагается, что в игре принимают участие два человека (две команды).

• Задача: пройти лабиринт, получив как можно меньше красных карточек. Лабиринт можно пройти двумя путями, для выбора пути игрок делает щелчок по кнопке «I» или «II».

• Далее нужно прочитать фразу в открывшемся блоке и выразить свое согласие-несогласие с ней, нажав кнопку «Да» или «Нет». При правильном ответе открывается новый блок, и можно подумать над ответом, пока очередной ход делает соперник.

• Когда оба игрока дойдут до финиша, можно открыть дополнительные вопросы («сокровища лабиринта»). Отвечать на них можно предложить отстающему игроку, обоим игрокам по очереди или болельщикам.

Диффузия это явление, при котором молекулы одного вещества проникают между молекулами другого

Быстрое распространение аромата кофе и какао осуществляется за счет конвекции

В пламени Солнца, жизни и смерти звёзд, мы видим проявление всемогущей диффузии!

Большое развитие листовой кроны деревьев объясняется

тем, что диффузионный обмен сквозь поверхность листьев

выполняет не только функцию дыхания, но частично и

питания

Скорость диффузии в газах выше, чем в жидкостях

При понижении температуры все функции организма птиц замедляются

Диффузия жидкостей при наличии

электрического поля протекает медленнее,

чем без эл.поля

За счет диффузии кожа человека поглощает кислорода на 28% больше и выделяет углекислого газа на 54% больше, чем легкие.

Скорость диффузии одинакова для всех состояний вещества

Передача запахов осуществляется посредством диффзузии

Процесс очищения воздуха лесом можно объяснить процессом

диффузии

В невесомости процесс диффузии

протекает также, как на Земле

Кислород попадает в более глубокие слои воды в стоячих водах за счёт диффузии через их свободную поверхность

В результате диффузии носителей в

полупроводниках не возникает

электрический ток

Благодаря диффузии кислород из легких пpoникaeт в кровь человека, а из крови – в ткани.

Методом диффузионной сварки соединяют между собой только металлы

Жизнь без диффузии возможна

Молекулы могут быть неподвижны

Процесс всасывания питательных веществ

в кишечнике возможен благодаря

диффузии.

ФинишПовторение – мать учения!

Процесс диффузии не играет большую роль в загрязнении рек, морей и океанов.

Чем выше температура, тем скорость молекул меньше

Движение пылинок в запылённой комнате в лучах света – один из примеров движения взвешенных частиц

ФинишПовторение – мать учения!

да нет

тнетда

н

да нетнетда

нетда

рда нет

да нетЛ

да нета

нетда

I

нетда

да нет

нетда

инетда

нетдаДальше Сокровища

да нет

да нет

нетдаб

да нет нетда

да нет

и

да нет

нетда

да нет

II

Молодцы!

Диффузия–это физическая величина