Какво е дифузия във физиката диф. Резюме: Тема: „Дифузия в живата и неживата природа. Дифузия на газове в метали
ДИФУЗИЯ -и; е. [от лат. diffusio - разпространение, разпространение] 1. Физ. Взаимно проникване на контактуващи вещества едно в друго поради термичното движение на частиците на веществото. Г. газове. D. течности. 2. Взаимопроникване, обмен на нещо. Обяснителен речник на Кузнецов
Diffusion е латински за дифузия или взаимодействие. Дифузията е много важно понятие във физиката. Същността на дифузията е проникването на едни молекули от вещество в други. В процеса на смесване концентрациите на двете вещества се изравняват спрямо обема, който заемат. Вещество от място с по-висока концентрация отива на място с по-ниска концентрация, поради което се получава изравняване на концентрациите. След като разгледаме какво е дифузия, трябва да преминем към условията, които могат да повлияят на скоростта на това явление.
Фактори, влияещи върху дифузията
За да разберете от какво зависи дифузията, разгледайте факторите, които я влияят.
Дифузията зависи от температурата. Скоростта на дифузия ще се увеличава с повишаване на температурата, тъй като с повишаване на температурата скоростта на движение на молекулите ще се увеличи, тоест молекулите ще се смесват по-бързо. Състоянието на агрегация на веществото също ще повлияе на това от какво зависи дифузията, а именно скоростта на дифузия. Термичната дифузия зависи от вида на молекулата. Например, ако обектът е метал, тогава термичната дифузия протича по-бързо, за разлика от това, ако обектът е направен от синтетичен материал. Дифузията между твърдите материали е много бавна. Дифузията е от голямо значение в природата и в човешкия живот.
Примери за дифузия
За да разберем по-добре какво е дифузия, нека го разгледаме с примери. Молекулите на веществата, независимо от тяхното агрегатно състояние, са постоянно в движение. Следователно дифузията се случва в газове, може да се случи в течности, както и в твърди вещества. Дифузията е смесване на газове. В най-простия случай това е разпространението на миризми. Ако поставите някаква боя във водата, след известно време течността ще бъде равномерно оцветена. Ако два метала са в контакт, тогава на контактната граница техните молекули се смесват.
И така, дифузията е смесване на молекули на вещество по време на тяхното произволно топлинно движение.
Всички тези видове дифузия се описват от една и съща феноменологична. отношения.
Основни понятия. Основната характеристикадифузия е плътността на дифузионния поток J - броят на островите, прехвърлени за единица време през единица площ от повърхността, перпендикулярна на посоката на пренос. Ако в среда, където няма градиенти на t-ry, налягане, електрически. потенциал и др., има концентрационен градиент c (x, t), който характеризира неговата промяна на единица дължина в посока x (едномерен случай) в момент t, след това в изотропна среда в покой
J = - D (ds / dx), (1)
където D е коефициентът на дифузия (m 2 / s); знакът минус показва посоката на потока от по-високи към по-ниски концентрации. Пространствено-времево разпределение на концентрацията:
Ур-ния (1) и (2) се обади. Първият и вторият закон на Фик. Триизмерната дифузия [c (x, y, z; t)] се описва от ur-ny:
J = - D град c (3)
където J е векторът на плътността на дифузионния поток, grad е градиентът на концентрационното поле. Пренасянето на частици в средата се осъществява като последователност от техните произволни движения, а абс. големината и посоката на всеки от тях не зависят от предходните. Дифузионното движение в средата на всяка частица обикновено се характеризира със средноквадратично изместване L 2 от началната позиция във времето t. За триизмерно пространствопървото отношение на Айнщайн е вярно: L 2 = GDt. По този начин параметърът D характеризира ефективността на действието на средата върху частиците. В случай на дифузия в многокомпонентни смеси при липса на градиенти на налягане и t-ry (изобарно-изотермична дифузия), за опростяване на описанието на взаимното проникване на компоненти при наличие на градиенти на техните концентрации, т.нар. коефициенти на интердифузия. Например, с едномерна дифузия в двукомпонентна системаизразът за дифузионния поток на един от компонентите приема формата:
където c 1 + c 2 = const, D 12 = D 21 - коефициент. взаимна дифузия на двата компонента. В резултат на неравномерно нагряване на средата под въздействието на градиента на t-ry се пренасят компонентите на газови или течни смеси - термична дифузия (в разтворите - ефектът на Соре). Ако между отделни частисистемата се поддържа постоянна разлика тр, то поради термична дифузия в обема на сместа се появяват градиенти на концентрация на компонентите, което инициира обикновена дифузия. Последният в неподвижно състояние (при липса на поток от вещества) балансира топлинната дифузия и в системата възниква разлика в концентрациите на компонентите. Това влияние е в основата на един от методите за разделяне на изотопи, както и термично дифузионно разделяне на нефтените фракции. С вътр. ефектът върху системата на градиент на налягане или гравитация. поле, настъпва бародифузия. Примери: дифузионно отлагане на малки суспендирани частици, когато те се сблъскват с газови молекули (вижте Събиране на прах); баромембранни процеси - обратна осмоза, микро- и ултрафилтрация (вж. Процеси на разделяне на мембраната, Осмоза). Действие върху системата изтр. електрически поле предизвиква насочен пренос на заредени частици - електродифузия. Примери: електромембранни процеси, например електродиализа - разделяне чрез електричество ток йонизирана връзка. в резултат на ел. пренос на йони през йонообменни мембрани; дифузия на носители на заряд е движението на електрони на проводимост и дупки, причинено от нехомогенност на концентрацията им в полупроводниците. Математически законите на Фик са аналогични на уравненията на Фурие за топлопроводимост. Тази аналогия се основава на общи закони необратими процесипреразпределение на параметрите на интензивното състояние (концентрация, t-ry, налягане и др.) между разл. части к.-л. система, тъй като тя има тенденция към термодинамично. баланс. При малки отклонения на системата от нея тези закономерности се описват чрез линейни връзки между потоците на физически. количества и термодинамични. сили, т.е. градиентите на параметрите, причиняващи посочените отклонения. По-специално, дифузионният поток на частици от този тип, в допълнение към градиентите на концентрациите на частици от всеки тип, може, при подходящи условия, да бъде до голяма степен определен от градиентите на други интензивни параметри и ext. сили. V общ изгледвръзката между потоците и силите е описана феноменологично. ур-ция на термодинамиката на необратими процеси. Например, в случай на електрически неутрална двоична газова система в присъствието на градиент от t-ry dT / dx, градиент на налягане dT / dx и градиент на електрически. потенциал d j / dx израз за дифузионния поток на частици с зарядът q i в едномерния случай приема формата:
където c е общият брой частици от сместа на единица обем; n i = c i / c -отнася. съотношението на частиците на i-тия компонент (i = 1, 2); D p, D T - коефициент. баро- и термична дифузия;м i = q i D / kТ (отношение на Нернст - Айнщайн) е подвижността на частиците от 1-вия компонент в електрически. поле; k е константата на Болцман; Т - абс. т-ра. Например, в бинарна газова смес при постоянно налягане и без изтр. сили общия дифузионен поток
При липса на поток (J = 0), разпределението на концентрацията се намира чрез f-le:
където k T = D T / D 12. Коеф. D T означава. степен зависи от междумолекулното взаимодействие. Следователно, неговото изследване ви позволява да изследвате междумолекулните сили в декомп. среди. Едновременно с дифузионния трансфер на частици от чужди вещества (примеси), неравномерно разпределени в K.-L. среда, възниква самодифузия - произволно движение на частици от самата среда, хим. съставът на разфасовката не се променя едновременно. Този процес се наблюдава дори при липса на термодинамика в системата. сили, описани от ur-ments на Фик, в които D се заменя с параметъра D c, наречен коефициент. самодифузия. Ефектите от самодифузия могат да доведат до снаждане на две смлени проби от едно и също вещество, синтероване на прахове при преминаване на електрическа енергия през тях. ток, до разтягане на тела под действието на окачен от тях товар (дифузионно пълзене на материали) и др. При взаимна дифузия в твърди тела, потокът от атоми от един вид може да надвиши потока на атоми от друг вид, който върви в обратна посока, ако е некомпенсиран. свободни места (и евентуално за некомпенсирани атоми) има мивки. В този случай в кристала се появяват пори, което води до нарушаване на стабилността на кристала. решетки като козина. системи и в резултат на това до изместване на кристални. самолети като цяло (ефект на Киркиндал). По-специално, в случай на взаимна дифузия в бинарни метали. системи, има движение на "инертни" марки, например тънки огнеупорни проводници от Mo или W с диаметър няколко. μm, въведен в зоната на дифузия. Скоростта на дифузионен масопренос в разл. в-ва или материали, понякога е удобно да се характеризира константата на тяхната пропускливост P = D g, където g - константа на Хенри, която определя равновесната p-стойност на прехвърления компонент. По-специално, изразът за постоянен поток от газови молекули, дифундиращи през разделителя. дебелина на преградата (мембраната). d, има формата: J = П gD р / d, където D p е разликата в парциалните налягания на отделените компоненти на газовата смес от двете страни на преградата. Коеф. дифузията се различава значително за дифузионните процеси в газообразни и кондензирани (течни и твърди) среди: naib. частиците се транспортират бързо в газове (D от около 10 - 4 m 2 / s при нормална температура и налягане), по-бавно - в течности (около 10 - 9), още по-бавно - в твърди вещества (около 10 - 12). Нека илюстрираме тези заключения с примери за молекулярна дифузия.
Дифузия в газообразни среди.За да се оцени D, дължината на свободното се приема като характерно (средно) изместване на частиците. диапазон от молекули l = u t, където u и t - средната скорост на движение на частиците и времето между техните сблъсъци. В съответствие с първото отношение на Айнщайн D ~ l 2 t -1 ; по-точно D = 1/3 lu. Коеф. дифузията е обратно пропорционална на налягането на газа p, тъй като l ~ 1 / p; с повишаване на температурата Т (при постоянен обем) D нараства пропорционално на T 1/2, тъй като; с увеличаване на кея. масата на газа D намалява. Според кинетиката. теория на газовете, кал. взаимна дифузия на газове А и В в бинарна смес (Таблица 1)
където p е общото налягане в системата, t A и t B са масите на газовете, s A и s B - параметри на потенциала на Ленард-Джоунс (виж, например, Абсорбция).
Страхотно практично интерес представлява транспортирането на газове през пори в твърди вещества. При относително ниско налягане на газа или размери на порите (r 0), когато честотата на сблъсъците на газовите молекули със стените на порите надвишава честотата на взаимните сблъсъци на молекулите, тоест средната дължина на свободните им. пускане l >> r 0 (за нормално налягане при r 0< 10 - 7 м), т.нар. Дифузия на Кнудсен. В този случай газовият поток през порестата преграда е пропорционален на средната скорост на молекулите и константата на пропускливостта на газа се определя от уравнението:
където N s е повърхностната плътност на порите в преградата. Дотолкова доколкото Средната скоростмолекули е обратно пропорционална корен квадратенот масите си, компонентите на отделената газова смес проникват през порите на мембраната с разл. скорости; в резултат на това сместа, преминала през преградата, се обогатява с по-леки компоненти. С увеличаване на налягането на газа в такива порести системи, повърхностната концентрация на молекулите, адсорбирани върху стените на порите, се увеличава. Образуваният адсорбент. слоят може да се окаже подвижен и да се движи по повърхността на порите, в резултат на което, успоредно с обемния дифузионен трансфер, в него е възможна повърхностна дифузия на газ. Последният понякога изобразява същества. влияние върху кинетиката на хим. трансформации, причиняващи неравновесно разпределение в системата на взаимодействие. реагенти.
Дифузия в кондензирана среда.В течности и твърди тела дифузията се осъществява чрез прескачане на частици от едно стабилно положение в друго, като разстоянието между тях е от порядъка на междумолекулно. За такива скокове е необходимо локално пренареждане на най-близката среда на всяка частица (вероятността за пренареждане се характеризира с ентропията на активиранед S) и произволно натрупване в тази област на определено количество топлинна енергия E D (енергия на активиране на дифузия). След скачане всяка частица се оказва в ново енергийно благоприятно положение, а освободената енергия се разсейва в средата. Освен това D = D 0 exp (- E D / RT), където D 0 = n exp (D S / R) е коефициентът на ентропия в зависимост от честотата на "термичен шок" на молекулите на средата ( n ~ 10 12 s - 1), R е газовата константа. Дифузионното движение на частиците в течност се определя от нейните вискозни свойства, размера на частиците и се характеризира с т.нар. мобилност(~ D / kT откъдето D ~ ( kT (втората връзка на Айнщайн). Параметър(- коеф. пропорционалност между скоростта на частицата и и мотива сила F по време на неподвижно движение с триене (u =(F). Например, в случай на сферично симетрични частици с радиус r за който(= 1/6 p r h (T), уравнението на Стокс-Айнщайн е вярно: D = kT / 6 p r h (T), където h (T) - шансове. динамичен вискозитетът на средата като функция на t-ry. Увеличаването на D с увеличаване на t-ry в течностите се обяснява с намаляване на плътността на опаковката на техните молекули („разхлабване на структурата“) при нагряване. и, като следствие, увеличаване на броя на скокове на частици за единица време. Коеф. дифузия различни въпросив течности са дадени в табл. 2 и 3; характерни стойности на E D ~ 20-40 kJ / mol.
Коеф. дифузия в твърда орг. телата имат средства. разпространение, достигайки в някои случаи стойности, сравними със съответните параметри в течности. Найб. Интерес представлява дифузията на газове в полимери. Коеф. дифузията в тях (Таблица 4) зависи от размера на дифундиращите молекули, особеностите на взаимодействието. те с фрагменти от макромолекули, подвижност на полимерни вериги, свободни. обемът на полимера (разликата между реалния обем и общия обем на плътно опакованите молекули) и хетерогенността на неговата структура.
Високите стойности на D при t-ts над t-t на встъкляване на полимерите се дължат на високата подвижност на фрагментите от макромолекули при тези условия, което води до преразпределение на свободното. обем и съгл. възходящд S и намаляващо E D. При t-ts под t-ry коеф. на встъкляване. дифузията, като правило, имат по-ниски стойности. В случай на дифузия на течности в полимери, стойностите на D могат да зависят от концентрацията на разтворените компоненти поради техния пластифициращ ефект. Коеф. дифузия на йони в йонообменни смоли означава. градуси се определят от тяхното съдържание на влага (средния брой n водни молекули на една йоногенна
група). При високо съдържание на влага (n> 15) скоростите на дифузия са сравними със съответния D за йони в електролити (виж таблици 5 и 3). Когато n< 10 коэф. диффузии экспоненциально снижаются с уменьшением п.
В твърд неорган. органи, където делът е безплатен. обем и амплитуда на вибрациите на кристалните атоми. решетките са незначителни, дифузията се дължи на наличието на нарушения в тяхната структура (вж. Дефекти в кристалите), възникващи по време на производството, нагряване, деформация и други влияния. В този случай m. реализира няколко. механизми на дифузия: размяна на места на атоми и размяна на места на два съседни атома, едновременна циклична. преместване на няколко.
Дифузия
Пример за дифузия е смесването на газове (например разпространението на миризми) или течности (ако мастилото се пусне във водата, течността ще стане равномерно оцветена след известно време). Друг пример е свързан с твърдо вещество: атомите на контактуващите метали се смесват на контактната граница. Дифузията на частиците играе важна роля във физиката на плазмата.
Обикновено под дифузия се разбират процеси, придружени от пренос на материя, но понякога се наричат и други процеси на пренос: топлопроводимост, вискозно триене и др.
Скоростта на дифузия зависи от много фактори. По този начин, в случай на метален прът, термичната дифузия протича много бързо. Ако пръчката е направена от синтетичен материал, топлинната дифузия е бавна. Дифузията на молекулите в общия случай протича още по-бавно. Например, ако кубче захар се спусне на дъното на чаша с вода и водата не се разбърква, ще минат няколко седмици, преди разтворът да стане хомогенен. Дифузията на един твърда материякъм друг. Например, ако медта е покрита със злато, тогава ще настъпи дифузия на златото в мед, но при нормални условия (стайна температура и атмосферно налягане) златоносният слой ще достигне дебелина от няколко микрона само след няколко хиляди години.
Количествено описание на дифузионните процеси е дадено от немския физиолог А. Фик ( Английски) през 1855 г
общо описание
Всички видове дифузия се подчиняват на едни и същи закони. Скоростта на дифузия е пропорционална на площта на напречното сечение на пробата, както и на разликата в концентрациите, температурите или зарядите (в случай на относително малки стойности на тези параметри). Така топлината ще се разпространява четири пъти по-бързо през пръчка с диаметър два сантиметра, отколкото през пръчка с диаметър един сантиметър. Тази топлина ще се разпространи по-бързо, ако температурната разлика на сантиметър е 10°C вместо 5°C. Скоростта на дифузия също е пропорционална на параметъра, характеризиращ конкретен материал. В случай на термична дифузия този параметър се нарича топлопроводимост, в случай на поток от електрически заряди - електрическа проводимост. Количеството материя, която дифундира за дадено време, и разстоянието, изминато от дифузиращата материя, са пропорционални на квадратния корен от времето на дифузия.
Дифузията е процес на молекулярно ниво и се определя от случайния характер на движението на отделните молекули. Следователно скоростта на дифузия е пропорционална на средната молекулярна скорост. При газовете средната скорост на малките молекули е по-висока, а именно, тя е обратно пропорционална на квадратния корен от молекулната маса и се увеличава с повишаване на температурата. Дифузионни процеси в твърди веществав високи температуричесто намират практическа употреба... Например, някои видове електронно-лъчеви тръби (CRT) използват метален торий, дифузиран през метален волфрам при 2000 ° C.
Ако в смес от газове масата на една молекула е четири пъти по-голяма от друга, тогава такава молекула се движи два пъти по-бавно в сравнение с движението си в чист газ. Съответно скоростта му на дифузия също е по-ниска. Тази разлика в скоростите на дифузия на леки и тежки молекули се използва за разделяне на вещества с различно молекулно тегло. Разделянето на изотопи е пример. Ако газ, съдържащ два изотопа, бъде пропуснат през пореста мембрана, по-леките изотопи проникват през мембраната по-бързо от по-тежките. За по-добро разделяне процесът се извършва на няколко етапа. Този процес е широко използван за разделяне на уранови изотопи (отделяне на 235 U от основната маса от 238 U). Тъй като този метод на разделяне е енергоемък, са разработени други, по-икономични методи за разделяне. Например, използването на термична дифузия в газова среда... Газ, съдържащ смес от изотопи, се поставя в камера, в която се поддържа пространствена температурна разлика (градиент). В този случай тежките изотопи в крайна сметка се концентрират в студения регион.
Уравнения на Фик
От гледна точка на термодинамиката, движещият потенциал на всеки процес на изравняване е растежът на ентропията. При постоянно налягане и температура този потенциал се играе от химическия потенциал µ , което води до поддържане на потоци от материя. Потокът от частици материя е пропорционален на градиента на потенциала
~В повечето практически случаи вместо химически потенциал се използва концентрация ° С... Директна подмяна µ на ° Сстава неправилно в случай на високи концентрации, тъй като химическият потенциал престава да се свързва с концентрацията според логаритмичния закон. Ако не разглеждате такива случаи, тогава горната формула може да бъде заменена със следното:
което показва, че плътността на потока на веществото Джпропорционално на коефициента на дифузия д[()] и концентрационен градиент. Това уравнение изразява първия закон на Фик. Вторият закон на Фик свързва пространствените и времевите промени в концентрацията (дифузионно уравнение):
Коефициент на дифузия дзависи от температурата. В някои случаи, в широк температурен диапазон, тази зависимост е уравнението на Арениус.
Допълнително поле, приложено успоредно на градиента на химическия потенциал, нарушава стационарното състояние. В този случай дифузионните процеси се описват с нелинейното уравнение на Фокер-Планк. Дифузионните процеси имат голямо значениев природата:
- Хранене, дишане на животни и растения;
- Проникване на кислород от кръвта в човешката тъкан.
Геометрично описание на уравнението на Фик
Във второто уравнение на Фик от лявата страна е скоростта на промяна на концентрацията във времето, а от дясната страна на уравнението е втората частична производна, която изразява пространственото разпределение на концентрацията, по-специално изпъкналостта на разпределението на температурата функция, проектирана върху оста x.
Вижте също
- Повърхностната дифузия е процес, свързан с движението на частици, което се случва на повърхността на кондензирано тяло в рамките на първия повърхностен слой от атоми (молекули) или над този слой.
Бележки (редактиране)
литература
- Бокщейн Б.С.Атомите бродят около кристала. - М .: Наука, 1984 .-- 208 с. - (Библиотека "Квант". Брой 28). - 150 000 екземпляра
Връзки
- Дифузия (видеоурок, програма за 7 клас)
- Дифузия на примесни атоми върху повърхността на единичен кристал
Фондация Уикимедия. 2010 г.
Синоними:Вижте какво е "Дифузия" в други речници:
- [лат. diffusio разпространение, разпространение] физ., хим. проникване на молекули на едно вещество (газ, течност, твърдо вещество) в друго при директен контакт или през пореста преграда. Речник на чужди думи. Комлев Н.Г., ... ... Речник на чужди думи на руския език
Дифузия- - проникване на частици от едно вещество в средата на частици от друго вещество, което възниква в резултат на термично движение в посока на намаляване на концентрацията на друго вещество. [Bloom E. E. Речник на основните металографски термини. Екатеринбург… Енциклопедия на термини, дефиниции и обяснения на строителни материали
Съвременна енциклопедия
- (от лат. diffusio разпръскване разпръскване, разпръскване), движението на частиците от средата, водещо до пренос на материята и изравняване на концентрациите или до установяване на равновесно разпределение на концентрациите на частици от даден вид в средата. В отсъствието на… … Голям енциклопедичен речник
ДИФУЗИЯ, движението на вещество в смес от област с висока концентрация към област с ниска концентрация, причинено от произволно движение на отделни атоми или молекули. Дифузията спира, когато концентрационният градиент изчезне. Скорост… … Научно-технически енциклопедичен речник
дифузия- и, w. дифузия ф., гер. Дифузия лат. diffusio разпространение, разпространение. Взаимно проникване на контактуващи вещества едно в друго поради термичното движение на молекули и атоми. Дифузия на газове, течности. ALS 2. || прехвърляне Те… … Исторически речникгалицизми на руския език
Дифузия- (от лат. diffusio разпръскване, разпръскване, разпръскване), движението на частиците на средата, водещо до пренасяне на материята и изравняване на концентрациите или установяване на тяхното равновесно разпределение. Обикновено дифузията се определя от топлинното движение ... ... Илюстриран енциклопедичен речник
Движението на частиците в посока на намаляване на тяхната концентрация, поради термично движение. Г. води до изравняване на концентрациите на дифузиращото вещество и равномерно запълване на обема с частици. Геологическа енциклопедия
Общинска образователна институция СОУ Заозерная със задълбочено изучаване на отделни предмети № 16
Тема: „Дифузия в живота и нежива природа».
Завършено:
ученик от 8 клас Зябрев Кирил.
Учител по физика: Г.М.Завялова
Учител по биология: V.F. Zyabreva
Томск - 2008 г
Въведение. …………………………………………………………………… 3
II. Дифузия в живата и неживата природа.
1. История на откриването на явлението. ……………………………………………. 4
2. Дифузия, нейните видове. ………………………………………… .. 6
3. Какво определя скоростта на дифузия? …………………………… .. 7
4. Дифузия в неживата природа. ……………………………… осем
5. Дифузия в природата. ………………………………………… 9
6. Използване на явленията на дифузия. …………………………. шестнадесет
7. Проектиране на отделни явления на дифузия. …………… 17
III. Заключение. ……………………………………………………………………… двадесет
IV. Използвани книги. ……………………………………………. ... 21
Въведение.
Колко невероятни и интересни неща се случват около нас. В нощното небе блестят далечни звезди, на прозореца гори свещ, вятърът носи уханието на цъфнала череша, застаряваща баба те гледа... Искам да науча много, опитай се да го обясня сам. В края на краищата, много природен феноменсвързани с дифузионни процеси, за които говорихме наскоро в училище. Но толкова малко беше казано!
Цели на работата :
1. Разширяване и задълбочаване на знанията за дифузията.
2. Симулиране на отделни дифузионни процеси.
3. Създайте допълнителен компютърно базиран материал за използване в уроците по физика и биология.
задачи:
1. Намерете необходимия материал в литературата, интернет, проучете и анализирайте.
2. Разберете къде в живата и неживата природа (физика и биология) има дифузионни явления, каква стойност имат те, къде се прилагат от хората.
3. Опишете и проектирайте най-много интересни преживяваниявърху това явление.
4. Създаване на анимационни модели на някои дифузионни процеси.
методи: анализ и синтез на литература, проектиране, моделиране.
Работата ми е в три части; основната част се състои от 7 глави. Проучих и обработих материали 13 литературни източници, включително образователна, справочна, научна литература и интернет сайтове, както и презентация, направена в редактора на Power Point.
II. Дифузия в живата и неживата природа.
II .един. Историята на откриването на явлението дифузия.
При наблюдение на суспензия от цветен прашец във вода под микроскоп, Робърт Браун наблюдава хаотичното движение на частиците, което възниква „не от движението на течността и не от нейното изпарение“. Суспендирани частици с размер 1 микрон и по-малко видими само под микроскоп извършват неупорядочени независими движения, описвайки сложни зигзагообразни траектории. Брауновото движение не намалява с времето и не зависи от химични свойствасряда; интензитетът му нараства с повишаване на температурата на средата и с намаляване на нейния вискозитет и размера на частиците. Дори качествено обяснение на причините за Брауновото движение е възможно едва 50 години по-късно, когато причината за Брауновото движение започва да се свързва с въздействието на течни молекули върху повърхността на частица, суспендирана в него.
Първата количествена теория на Брауновското движение е дадена от А. Айнщайн и М. Смолуховски през 1905-06. на базата на молекулярно-кинетична теория. Беше показано, че произволни разходки Браунови частицисвързани с участието им в топлинно движение наравно с молекулите на средата, в която са претеглени. Частиците имат средно еднаква кинетична енергия, но поради по-голямата си маса имат по-ниска скорост. Теорията на Брауновото движение обяснява произволното движение на частица чрез действието на произволни сили от молекули и сили на триене. Според тази теория молекулите на течност или газ са в постоянно топлинно движение и импулсите на различните молекули не са еднакви по големина и посока. Ако повърхността на частица, поставена в такава среда, е малка, какъвто е случаят с браунова частица, тогава ударите, изпитвани от частицата от заобикалящите я молекули, няма да бъдат точно компенсирани. Следователно, в резултат на "бомбардирането" на молекули, браунова частица влиза в безпорядъчно движение, променяйки големината и посоката на скоростта си приблизително 1014 пъти в секунда. От тази теория следва, че чрез измерване на изместването на частица за определено време и познаване на нейния радиус и вискозитета на течността, може да се изчисли числото на Авогадро.
Заключенията на теорията на Брауновското движение се потвърждават от измерванията на Ж. Перин и Т. Сведберг през 1906 г. На базата на тези съотношения експериментално са определени константата на Болцман и константата на Авогадро. (Константа на Авогадро обозначава се с NA, броят на молекулите или атомите в 1 мол вещество, NA = 6.022.1023 mol-1; име в чест на А. Авогадро.
Болцманова константа физическа константа кравно на съотношението на универсалната газова константа Ркъм номера на Авогадро н A: к = Р / н A = 1,3807,10-23 J/K. Наречен на Л. Болцман.)
При наблюдение на Брауновото движение позицията на частицата се фиксира на равни интервали. Колкото по-кратки са интервалите от време, толкова по-извита ще изглежда траекторията на частиците.
Моделите на Брауновото движение служат като ясно потвърждение на основните положения на молекулярно-кинетична теория. Окончателно се установи, че топлинната форма на движение на материята се дължи на хаотичното движение на атоми или молекули, които съставляват макроскопичните тела.
Теорията на Брауновото движение изигра важна роля в обосноваването на статистическата механика, на която се основава кинетична теориякоагулация (смесване) на водни разтвори. Освен това има и практическо значениев метрологията, тъй като Брауновото движение се счита за основен фактор, ограничаващ точността на измервателните уреди. Например, границата на точност на показанията на огледален галванометър се определя от треперенето на огледалото, подобно на браунова частица, бомбардирана от въздушни молекули. Законите на Брауновото движение определят произволното движение на електроните, което причинява шум в електрическите вериги. Диелектричните загуби в диелектриците се обясняват със случайните движения на диполните молекули, които изграждат диелектрика. Случайните движения на йони в електролитните разтвори увеличават тяхното електрическо съпротивление.
Траектории на Браунови частици (схема на експеримента на Перин); точките отбелязват позициите на частиците на равни интервали.
По този начин, ДИФУЗИЯ ИЛИ БРАУНОВО ДВИЖЕНИЕ - то безпорядъчно движение на най-малките частици, суспендирани в течност или газ, възникващо под въздействието на въздействието на молекулите на околната среда; отворен
Р. Браун през 1827г
II. 2. Дифузия, нейните видове.
Правете разлика между дифузия и самодифузия.
Чрез дифузия е спонтанно проникване на молекули на едно вещество в пространствата между молекулите на друго вещество... В този случай частиците се смесват. Дифузията се наблюдава за газове, течности и твърди вещества. Например, капка мастило се смесва в чаша вода. Или миризмата на одеколон се разпространява из цялата стая.
Дифузията, подобно на самодифузията, съществува, докато има градиент на плътност на веществото. Ако плътността на едно и също вещество не е еднаква в различните части на обема, тогава се наблюдава феноменът на самодифузия. Самодифузия наречен процес на изравняване на плътността(или концентрация, пропорционална на нея) същото вещество... Дифузията и самодифузията възникват поради термичното движение на молекулите, което в неравновесни състояния създава потоци от материя.
Плътността на масовия поток е масата на веществото ( дм) дифузия за единица време през единица площ ( dS мн.ч) перпендикулярно на оста х :
(1.1)
Феноменът дифузия се подчинява на закона на Фик
(1.2)
където е модулът на градиента на плътността, който определя скоростта на промяна на плътността в посоката на оста х ;
де коефициентът на дифузия, който се изчислява от молекулярно-кинетична теория по формулата
(1.3)
където е средната скорост на топлинно движение на молекулите;
Среден свободен път на молекулите.
Минус показва, че преносът на маса се извършва в посока на намаляване на плътността.
Уравнението (1.2) се нарича дифузионно уравнение или закон на Фик.
II. 3. Скорост на дифузия.
Когато една частица се движи в вещество, тя непрекъснато се сблъсква с неговите молекули. Това е една от причините, поради които дифузията при нормални условия е по-бавна от нормалното движение. Какво определя скоростта на дифузия?
Първо, от средното разстояние между сблъсъците на частици, т.е. дължина на свободния път. Колкото по-голяма е тази дължина, толкова по-бързо частицата прониква в веществото.
Второ, налягането влияе върху скоростта. Колкото по-плътна е опаковката на частиците в веществото, толкова по-трудно е чуждата частица да проникне в такава опаковка.
На трето място, молекулното тегло на веществото играе важна роля за скоростта на дифузия. Колкото по-голяма е целта, толкова по-голяма е вероятността да се удари и след сблъсък скоростта винаги се забавя.
И четвърто, температурата. С повишаване на температурата вибрациите на частиците се увеличават и скоростта на молекулите се увеличава. Скоростта на дифузия обаче е хиляди пъти по-бавна от скоростта на свободното движение.
Всички видове дифузия се подчиняват на едни и същи закони, описани от коефициента на дифузия D, който е скаларени се определя от първия закон на Фик.
С едномерна дифузия 
,
където J е плътността на потока на атоми или дефекти на вещество,
D - коефициент на дифузия,
N е концентрацията на атоми или дефекти в дадено вещество.
Дифузията е процес на молекулярно ниво и се определя от случайния характер на движението на отделните молекули. Следователно скоростта на дифузия е пропорционална на средната молекулярна скорост. При газовете средната скорост на малките молекули е по-висока, а именно, тя е обратно пропорционална на квадратния корен от молекулната маса и се увеличава с повишаване на температурата. В практиката често се използват дифузионни процеси в твърди тела при високи температури. Например, някои видове електронно-лъчеви тръби (CRT) използват метален торий, дифузиран през метален волфрам при 2000 ºC.
Ако в смес от газове една молекула е четири пъти по-тежка от друга, тогава такава молекула се движи два пъти по-бавно в сравнение с движението си в чист газ. Съответно скоростта му на дифузия също е по-ниска. Тази разлика в скоростите на дифузия на леки и тежки молекули се използва за разделяне на вещества с различно молекулно тегло. Разделянето на изотопи е пример. Ако газ, съдържащ два изотопа, бъде пропуснат през пореста мембрана, по-леките изотопи проникват през мембраната по-бързо от по-тежките. За по-добро разделяне процесът се извършва на няколко етапа. Този процес е широко използван за разделяне на уранови изотопи (отделяне на 235U делящ се при неутронно облъчване от основната маса на 238U). Тъй като този метод на разделяне е енергоемък, са разработени други, по-икономични методи за разделяне. Например използването на термична дифузия в газообразна среда е широко развито. Газ, съдържащ смес от изотопи, се поставя в камера, в която се поддържа пространствена температурна разлика (градиент). В този случай тежките изотопи в крайна сметка се концентрират в студения регион.
Заключение. Дифузните промени се влияят от:
· молекулно тегло на веществото (колкото по-високо е молекулното тегло, толкова по-ниска е скоростта);
· средното разстояние между сблъсъците на частици (колкото по-голяма е дължината на пътя, толкова по-голяма е скоростта);
· налягане (колкото по-голяма е опаковката на частиците, толкова по-трудно е да се пробие),
· температура (с повишаване на температурата скоростта се увеличава).
II.4. Дифузия в неживата природа.
Знаете ли, че целият ни живот е изграден върху странен парадокс на природата? Всеки знае, че въздухът, който дишаме, се състои от газове с различна плътност: азот N 2, кислород O 2, въглероден диоксид CO 2 и малко количество други примеси. И тези газове трябва да бъдат подредени на слоеве, според силата на гравитацията: най-тежкият, CO 2, - на самата повърхност на земята, над нея - O 2, дори по-висок - N 2. Но това не се случва. Заобикаля ни хомогенна смес от газове. Защо пламъкът не угасва? В крайна сметка кислородът около него бързо изгаря? Тук, както и в първия случай, действа механизмът за подравняване. Дифузията предотвратява дисбаланса в природата!
Защо морето е солено? Знаем, че именно реките си проправят път през масата от скали, минерали и отмиват солите в морето. Как става смесването на сол и вода? Това може да се обясни с прост опит:
ОПИСАНИЕ НА ОПИТ:Изсипете воден разтвор на меден сулфат в стъклен съд. Внимателно изсипете чиста вода върху разтвора. Наблюдаваме границата между течностите.
въпрос:Какво ще се случи с тези течности с течение на времето и какво ще наблюдаваме?
С течение на времето границата между течностите в контакт ще започне да се размива. Съд с течности може да се постави в шкаф и всеки ден да наблюдавате как става спонтанно смесване на течности. Накрая в съда се образува хомогенна течност с бледосин цвят, почти безцветна на светлина.
Частиците на медния сулфат са по-тежки от водата, но поради дифузия те бавно се издигат нагоре. Причината е в структурата на течността. Течните частици са опаковани в компактни групи - псевдоядра. Те са разделени един от друг с кухини - дупки. Ядрата не са стабилни, техните частици не са в равновесие за дълго. Веднага след като енергията се предаде на частицата, частицата се откъсва от ядрото и пада в кухини. Оттам лесно прескача към друго ядро и т.н.
Молекулите на чуждата материя започват своето пътуване през течността от дупки. По пътя те се сблъскват с ядра, избиват частици от тях и заемат тяхното място. Придвижвайки се от едно свободно място на друго, те бавно се смесват с течни частици. Вече знаем, че скоростта на дифузия е ниска. Следователно, при нормални условия, този експеримент отне 18 дни, с нагряване - 2-3 минути.
заключение: В пламъка на слънцето живот и смърт на далечните светещи звезди, във въздуха, който дишаме, промените на времето, в почти всички физически явления, виждаме проявлението на всемогъща дифузия!
II.5. Дифузия в дивата природа.
Дифузионните процеси са добре проучени в момента, установени са техните физични и химични закони и са напълно приложими за движението на молекулите в живия организъм. Дифузията в живите организми е неразривно свързана с плазмената мембрана на клетката. Следователно е необходимо да се разбере как е устроен и как характеристиките на неговата структура са свързани с транспорта на вещества в клетката.
Плазмената мембрана (плазмалема, клетъчна мембрана), повърхностната, периферната структура, обграждаща протоплазмата на растителните и животинските клетки, служи не само като механична бариера, но, най-важното, ограничава свободния двупосочен поток на ниско- и високо- молекулярни вещества в и извън клетката. Освен това плазмалемата действа като структура, която „разпознава“ различни химикали и регулира селективния транспорт на тези вещества в клетката.
Външната повърхност на плазмената мембрана е покрита с рехав влакнест слой от материя с дебелина 3-4 nm - гликокаликс. Състои се от разклонени вериги от сложни въглехидрати, мембранни интегрални протеини, между които могат да бъдат разположени клетъчните съединения на протеини със захари и протеини с мазнини. Веднага се откриват някои клетъчни ензими, участващи в извънклетъчното разцепване на вещества (извънклетъчно храносмилане, например в чревния епител).
Тъй като вътрешната част на липидния слой е хидрофобна, тя представлява почти непроницаема бариера за повечето полярни молекули... Поради наличието на тази бариера се предотвратява изтичането на клетъчно съдържание, но поради това клетката е принудена да създаде специални механизми за транспортиране на водоразтворими вещества през мембраната.
Плазмената мембрана, подобно на други липопротеинови клетъчни мембрани, е полупропусклива. Водата и разтворените в нея газове имат максимална проникваща способност. Йонният транспорт може да протича по градиент на концентрация, тоест пасивно, без консумация на енергия. В този случай някои мембранни транспортни протеини образуват молекулярни комплекси, канали, през които йони преминават през мембраната чрез проста дифузия. В други случаи специални мембранни протеини носители селективно се свързват с един или друг йон и го транспортират през мембраната. Този тип трансфер се нарича активен транспорт и се осъществява с помощта на протеинови йонни помпи. Например, изразходвайки 1 ATP молекула, K-Na помпената система изпомпва 3 Na йона от клетката в един цикъл и изпомпва 2 K йона срещу градиента на концентрацията. В комбинация с активен транспорт на йони, различни захари, нуклеотиди и аминокиселини проникват през плазмената мембрана. Макромолекулите, като протеините, не преминават през мембраната. Те, както и по-големите частици материя, се транспортират в клетката чрез ендоцитоза. По време на ендоцитозата определена област от плазмалемата улавя, обвива извънклетъчния материал, затваря го в мембранна вакуола. Тази вакуола - ендозома - се слива в цитоплазмата с първичната лизозома и уловеният материал се усвоява. Ендоцитозата се разделя формално на фагоцитоза (абсорбция на големи частици от клетката) и пиноцитоза (абсорбция на разтвори). Плазмената мембрана също участва в отстраняването на веществата от клетката чрез екзоцитоза - процес, противоположен на ендоцитозата.
Дифузията на йони във водни разтвори е особено важна за живите организми. Не по-малко важна е ролята на дифузията в дишането, фотосинтезата и транспирацията на растенията; при пренасянето на кислород от въздуха през стените на алвеолите на белите дробове и навлизането му в кръвта на хора и животни. Дифузията на молекулярни йони през мембраните се извършва с помощта на електрически потенциал вътре в клетката. Притежавайки селективна пропускливост, мембраните играят ролята на митница при движението на стоки през границата: някои вещества се пропускат, други се задържат, а трети обикновено се „изгонват“ от клетката. Ролята на мембраните в живота на клетките е много важна. Умиращата клетка губи контрол върху способността си да регулира концентрацията на вещества през мембраната. Първият признак за умиране на клетката е началните промени в пропускливостта и неизправността на външната й мембрана.
В допълнение към обикновения транспорт - кинетичният процес на пренос на частици от вещество под въздействието на градиенти на електрически или химичен потенциал, температура или налягане - активният транспорт се извършва и в клетъчните процеси - движението на молекули и йони срещу градиента на концентрация на вещества. Този дифузионен механизъм се нарича осмоза. (Осмозата е наблюдавана за първи път от А. Ноле през 1748 г., но изучаването на това явление започва век по-късно.) Този процес се осъществява поради различното осмотично налягане в воден разтворот противоположните страни на биологичната мембрана Водата често преминава свободно чрез осмоза през мембраната, но тази мембрана може да бъде непропусклива за вещества, разтворени във вода. Любопитно е, че водата тече срещу дифузията на това вещество, но се подчинява на общия закон на градиента на концентрацията (в този случай водата).
Следователно водата клони от по-разреден разтвор, където концентрацията й е по-висока, към повече концентриран разтворвещества, в които концентрацията на вода е по-ниска. Тъй като не може директно да изсмуква и изпомпва вода, клетката прави това с помощта на осмоза, променяйки концентрацията на разтворените вещества в нея. Осмозата изравнява концентрацията на разтвора от двете страни на мембраната. Стресовото състояние на клетъчната мембрана зависи от осмотичното налягане на разтворите на веществата от двете страни на клетъчната мембрана и еластичността на клетъчната мембрана, която се нарича тургорно налягане (turgor - от лат. turgere - да се набъбвам, пълним). Обикновено еластичността на мембраните на животинските клетки (с изключение на някои коелентерати) е малка, те са лишени от високо тургорно налягане и запазват целостта си само в изотонични разтвори или леко се различават от изотоничните (разликата между вътрешното и външното налягане е по-малка от 0,5-1,0 сутринта). В живите растителни клетки вътрешното налягане винаги е по-голямо от външното, но разкъсването на клетъчната мембрана в тях не се случва поради наличието на целулозна клетъчна стена. Разликата между вътрешните и външните налягания в растенията (например при халофитните растения - солелюбивите гъби) достига 50-100 ампера. Но въпреки това границата на безопасност на растителната клетка е 60-70%. При повечето растения относителното удължение на клетъчната мембрана поради тургор не надвишава 5-10%, а тургорното налягане е в диапазона от 5-10 ампера. Благодарение на тургора растителните тъкани имат еластичност и структурна здравина. (Експерименти № 3, № 4 потвърждават това). Всички процеси на автолиза (саморазрушаване), увяхване и стареене са придружени от спадане на тургорното налягане.
Като се има предвид дифузията в живата природа, не може да не се спомене поглъщането. Абсорбцията е процес на навлизане на различни вещества от околната среда през клетъчните мембрани в клетките, а чрез тях и във вътрешната среда на тялото. При растенията това е процесът на усвояване на водата с вещества, разтворени в нея от корените и листата чрез осмоза и дифузия; при безгръбначните - от околната среда или кухина течност. При примитивните организми абсорбцията се извършва с помощта на пино и фагоцитоза. При гръбначните животни абсорбцията може да настъпи както от кухините – белите дробове, матката, пикочния мехур, така и от повърхността на кожата, от повърхността на раната и др. Летливите газове и пари се абсорбират от кожата.
Резорбцията в стомашно-чревния тракт, която се извършва главно в тънките черва, е от най-голямо физиологично значение. За ефективно пренасяне на вещества, голяма чревна повърхност и постоянно висок кръвен поток в лигавицата са от особено значение, поради което се поддържа висок градиент на концентрация на абсорбираните съединения. При хората мезентериалният кръвоток по време на хранене е около 400 ml/min, а на височината на храносмилането – до 750 ml/min, като основен дял (до 80%) е притока на кръв в лигавицата на храносмилателната система. органи. Поради наличието на структури, които увеличават повърхността на лигавицата - кръгови гънки, вили, микровили, цялата зонасмукателната повърхност на човешкото черво достига 200 m 2.
Водните и солевите разтвори могат да дифундират от двете страни на чревната стена, както в тънките, така и в дебелите черва. Тяхната абсорбция става главно в горните части на тънките черва. Транспортът на Na + йони в тънките черва е от голямо значение, поради което се създават предимно електрически и осмотични градиенти. Абсорбцията на Na + йони се осъществява както чрез активни, така и чрез пасивни механизми.
Ако клетката нямаше системи за регулиране на осмотичното налягане, тогава концентрацията на разтворените вещества вътре в нея би била по-голяма от външните им концентрации. Тогава концентрацията на вода в клетката ще бъде по-малка от нейната концентрация навън. В резултат на това би имало постоянен приток на вода в клетката и нейното разкъсване. За щастие животинските клетки и бактерии контролират осмотичното налягане в клетките си чрез активно изпомпване на неорганични йони като Na. Следователно тяхната обща концентрация вътре в клетката е по-ниска от външната. Например, земноводни прекарват значителна част от времето си във вода, а съдържанието на сол в кръвта и лимфата им е по-високо, отколкото в сладки води... Организмите на земноводните непрекъснато абсорбират вода през кожата. Поради това те произвеждат много урина. Една жаба, например, ако й се превърже клоака, набъбва като топка. Обратно, ако земноводно влезе в солено морска вода, дехидратира и умира много бързо. Следователно моретата и океаните за земноводните са непреодолима пречка. Растителните клетки имат твърди стени, които предотвратяват подуването им. Много протозои избягват да се спукат от водата, влизаща в клетката, посредством специални механизми, които редовно изхвърлят входящата вода.
По този начин клетката е отворена термодинамична система, която обменя материя и енергия с околната среда, но поддържа определено постоянство на вътрешната среда. Тези две свойства на една саморегулираща се система - отвореност и постоянство - се извършват едновременно, а метаболизмът (обмяната на веществата) е отговорен за постоянството на клетката. Метаболизмът е регулаторът, който допринася за запазването на системата, осигурява целесъобразен отговор на влиянията на околната среда. Следователно необходимо условие за метаболизма е раздразнителността на живата система на всички нива, която в същото време действа като фактор за системността и целостта на системата.
Мембраните могат да променят своята пропускливост под въздействието на химични и физични фактори, включително в резултат на деполяризация на мембраната при преминаване на електрически импулс през системата от неврони и излагане на него.
Невронът е част от нервно влакно. Ако в единия му край действа стимул, тогава възниква електрически импулс. Стойността му е около 0,01 V за човешки мускулни клетки и се разпространява със скорост около 4 m / s. Когато импулсът достигне до синапса – връзка от неврони, която може да се разглежда като вид реле, което предава сигнал от един неврон на друг, електрическият импулс се преобразува в химичен чрез освобождаване на невротрансмитери – специфични междинни вещества. Когато молекулите на такъв медиатор попаднат в процепа между невроните, невротрансмитерът чрез дифузия достига края на пролуката и възбужда следващия неврон.
Въпреки това, невронът реагира само ако на повърхността му има специални молекули – рецептори, които могат да свързват само даден невротрансмитер и да не реагират на друг. Това се случва не само върху мембраната, но и във всеки орган, например мускул, което го кара да се свие. Сигналите-импулси чрез синапсите могат да инхибират или засилват предаването на другите и следователно невроните изпълняват логически функции („и“, „или“), които до известна степен послужиха като основа на Н. Винер да вярва, че изчислителните процеси в мозъка на жив организъм и в компютъра вървят основно по една и съща схема. Тогава информационният подход позволява да се опише неживата и жива природа по единен начин.
Самият процес на въздействие на сигнала върху мембраната се състои в промяна на неговия висок електрическо съпротивление, тъй като потенциалната разлика в него също е от порядъка на 0,01 V. Намаляването на съпротивлението води до увеличаване на импулса на електрическия ток и възбуждането се предава по-нататък във формата нервен импулсдокато променя способността на определени йони да преминават през мембраната. По този начин информацията в тялото може да се предава комбинирано, чрез химични и физични механизми, като това гарантира надеждността и разнообразието от канали за нейното предаване и обработка в жива система.
С процеси клетъчно дишанеКогато в митохондриите на клетката се образуват АТФ молекули, осигуряващи й необходимата енергия, процесите на нормално дишане на живия организъм също са тясно свързани, което изисква кислород О2, получен в резултат на фотосинтезата. Механизмите на тези процеси също се основават на законите на дифузията. По същество това са материалните и енергийните компоненти, от които се нуждае живият организъм. Фотосинтезата е процес на съхраняване на слънчева енергия чрез образуване на нови връзки в молекулите на синтезираните вещества. Изходните материали за фотосинтезата са вода H2O и въглероден диоксид CO2. От тези прости неорганични съединенияобразуват се по-сложни богати на енергия хранителни вещества. Молекулният кислород O 2 се образува като страничен продукт, но много важен за нас. Пример за това е реакция, която възниква поради поглъщането на светлинни кванти и наличието на хлорофилния пигмент, съдържащ се в хлоропластите.
Резултатът е една захарна молекула C 6 H 12 O 6 и шест кислородни молекули O 2. Процесът протича на етапи, първо, на етапа на фотолиза, водородът и кислородът се образуват чрез разделяне на водата, а след това водородът, комбинирайки се с въглероден диоксид, образува въглехидрат - захар C 6 H 12 O 6. По същество фотосинтезата е превръщането на слънчевата лъчиста енергия в енергия химически връзкипоявяваща се органична материя. По този начин фотосинтезата, произвеждаща кислород O 2 в светлината, е биологичният процес, който осигурява на живите организми безплатна енергия. Процесът на нормално дишане като метаболитен процес в организма, свързан с консумацията на кислород, е обратен на процеса на фотосинтеза. И двата процеса могат да преминат по следната верига:
Слънчева енергия(фотосинтеза)
хранителни вещества + (дишане)
Енергията на химичните връзки.
Крайните продукти на дишането служат като изходни материали за фотосинтезата. По този начин процесите на фотосинтеза и дишане участват в циркулацията на веществата на Земята. Част от слънчевата радиация се поглъща от растенията и някои организми, които, както вече знаем, са автотрофи, т.е. самостоятелно захранване (храна за тях - слънчева светлина). В резултат на процеса на фотосинтеза автотрофите се свързват въглероден двуокисатмосфера и вода, образувайки до 150 милиарда тона органични вещества, усвояващи до 300 милиарда тона CO2 и отделящи около 200 милиарда тона свободен кислород O2 годишно.
Получено органична материясе използват като храна от хора и тревопасни животни, които от своя страна се хранят с други хетеротрофи. След това растителните и животинските остатъци се разлагат на прости неорганични вещества, който отново може да участва под формата на CO 2 и H 2 O във фотосинтезата. Част от получената енергия, включително тази, съхранявана под формата на изкопаемо енергийно гориво, се консумира от живите организми, част се разсейва безполезно в заобикаляща среда... Следователно процесът на фотосинтеза, поради способността да им осигури необходимата енергия и кислород, е катализатор за еволюцията на живите същества на определен етап от развитието на биосферата на Земята.
Дифузионните процеси са в основата на метаболизма в клетката, което означава, че с тяхна помощ тези процеси се осъществяват на ниво органи. Така се осъществяват процесите на усвояване в кореновите косми на растенията, червата на животните и хората; газообмен в устицата на растенията, белите дробове и тъканите на хора и животни, отделителни процеси.
Биолозите се занимават със структурата и изследването на клетките повече от 150 години, като се започне от Шлайден, Шван, Пуриме и Вирхов, които през 1855 г. установяват механизма на клетъчния растеж чрез тяхното делене. Установено е, че всеки организъм се развива от една клетка, която започва да се дели и в резултат на това се образуват много клетки, които значително се различават една от друга. Но тъй като първоначалното развитие на организма започва от разделянето на първата клетка, то на един от етапите на нашия жизнен цикълзапазваме приликата с много далечен едноклетъчен прародител и шеговито може да се каже, че произлизаме от амеба, а не от маймуна.
Органите се образуват от клетки, а клетъчната система придобива такива качества, които не присъстват в съставните й елементи, т.е. отделни клетки. Тези разлики се дължат на набор от протеини, синтезирани от дадена клетка. Има мускулни клетки, нервни клетки, кръвни (еритроцити), епителни и други в зависимост от тяхната функционалност. Клетъчната диференциация става постепенно по време на развитието на организма. В процеса на делене на клетките, техния живот и смърт през целия живот на организма, се извършва непрекъсната подмяна на клетките.
Нито една молекула в тялото ни не остава непроменена за повече от няколко седмици или месеци. През това време молекулите се синтезират, изпълняват своята роля в живота на клетката, разрушават се и се заменят с други, повече или по-малко идентични молекули. Най-удивителното е, че живите организми като цяло са много по-постоянни от съставните им молекули, а структурата на клетките и цялото тяло, състоящо се от тези клетки, остава непроменено в този непрекъснат цикъл, въпреки подмяната на отделни компоненти.
Нещо повече, това не е подмяна на отделни части на автомобила, а, както образно сравнява С. Роуз, тяло с тухлена сграда, „от която луд зидар непрекъснато премахва една след друга тухла, денем и нощем, и поставя нови такива на тяхно място. В същото време екстериорът на сградата остава същият, а материалът непрекъснато се подменя." Ние се раждаме с едни неврони и клетки и умираме с други. Пример е съзнанието, разбирането и възприятието на дете и стар човек. Всички клетки имат пълна генетична информация за изграждането на всички протеини на даден организъм. Съхранение и прехвърляне наследствена информациясе извършва с помощта на клетъчното ядро.
заключение: Ролята на пропускливостта на плазмената мембрана в живота на клетката не може да бъде преувеличена. Повечето от процесите, свързани с осигуряването на клетката с енергия, получаването на продукти и освобождаването от продуктите на разпад, се основават на законите на дифузията през тази полупропусклива жива бариера.
Осмоза- всъщност проста дифузия на вода от места с по-висока концентрация към места с по-ниска концентрация на вода.
Пасивен транспорт - Това е пренасяне на вещества от места с висока стойност на електрохимичния потенциал към места с по-ниската му стойност. Трансферът на малки водоразтворими молекули се извършва с помощта на специални транспортни протеини. Това са специални трансмембранни протеини, всеки от които е отговорен за транспорта на специфични молекули или групи от свързани молекули.
Често е необходимо да се осигури прехвърлянето на молекули през мембраната срещу техния електрохимичен градиент. Този процес се нарича активен транспорти се осъществява от протеини носители, чиято активност изисква енергия. Ако свържете протеин-носител с източник на енергия, можете да получите механизъм, който осигурява активен транспорт на вещества през мембраната.
II.6. Приложение на дифузия.
От древни времена човекът използва явленията на дифузия. Готвенето и отоплението на дома са свързани с този процес. Срещаме дифузия при топлинната обработка на метали (заваряване, спояване, рязане, нанасяне на покритие и др.); нанасяне на тънък слой метал върху повърхността на метални изделия за повишаване на химическата устойчивост, здравина, твърдост на части и устройства или за защитни и декоративни цели (поцинковане, хромиране, никелиране).
Природният горим газ, който използваме у дома за готвене, е без цвят и мирис. Поради това би било трудно веднага да се забележи изтичане на газ. А при изтичане поради дифузия, газът се разпространява в цялата стая. Междувременно при определено съотношение газ към въздух в затворено помещение се образува смес, която може да избухне, например, от запален кибрит. Газът може да причини и отравяне.
За да бъде забележим потокът на газ в помещението, в разпределителните станции горим газ се смесва предварително със специални вещества, които имат остра неприятна миризма, която лесно се усеща от човек дори при много ниска концентрация. Тази предпазна мярка ви позволява бързо да забележите натрупването на газ в стаята, ако се е образувал теч.
В съвременната индустрия се използва вакуумно формоване, метод за производство на продукти от листови термопласти. Продуктът с необходимата конфигурация се получава поради разликата в налягането, произтичаща от вакуума в кухината на матрицата, над която е фиксиран листът. Използва се например при производството на контейнери, части за хладилници, кутии за инструменти. Благодарение на дифузията, по този начин е възможно да се заварява това, което не може да бъде заварено самостоятелно (метал със стъкло, стъкло и керамика, метали и керамика и много други).
Поради дифузията на различни уранови изотопи през порести мембрани, горивото за ядрени реактори е обработено. Ядреното гориво понякога се нарича ядрено гориво.
Абсорбцията (резорбцията) на веществата, когато се въвеждат в подкожната тъкан, в мускулите или когато се прилагат върху лигавиците на окото, носа, кожата на ушния канал, се случва главно поради дифузия. На това се основава използването на много лечебни вещества и усвояването в мускулите е по-бързо, отколкото в кожата.
Народната мъдрост гласи: „Коси ятаган, докато е роса“. Кажете какво общо има дифузията и сутрешното косене? Обяснението е много просто. По време на сутрешната роса тревите са с повишено тургорно налягане, устицата са отворени, стъблата са еластични, което улеснява косенето им (тревата, окосена със затворени устия, изсъхва по-зле).
В градинарството по време на пъпкуване и присаждане на растения върху участъците поради дифузия се образува калус (от лат. Callus - царевица) - тъкан на раната под формата на приток в местата на увреждане и насърчава тяхното заздравяване, осигурява сливането на издънка с запаса.
Калусът се използва за получаване на култура от изолирани тъкани (експлантация). Това е метод за дълготрайно съхранение и култивиране в специални хранителни среди на клетки, тъкани, малки органи или техни части, изолирани от човешкото тяло, животни и растения. Той се основава на методите за отглеждане на култура от микроорганизми, осигуряващи асептика, хранене, газообмен и отстраняване на метаболитни продукти от култивирани обекти. Едно от предимствата на метода на тъканната култура е възможността да се наблюдава жизнената активност на клетките с помощта на микроскоп. За това растителната тъкан се отглежда върху хранителни среди, съдържащи ауксини и цитокинини. Калусът обикновено се състои от слабо диференцирани хомогенни клетки на образователната тъкан, но при промяна на условията на отглеждане в нея може да се образува предимно съдържанието на фитохормони в хранителната среда, флоема, ксилема и други тъкани, както и развитието на различни органи и цяло растение.
II.7. Проектиране на индивидуални експерименти.
Използвайки научна литература, се опитах да повторя най-интересните за мен преживявания. Изобразих дифузионния механизъм и резултатите от тези експерименти в презентацията под формата на анимационни модели.
ОПИТ 1.Вземете две епруветки: едната половина е пълна с вода, другата половина е пълна с пясък. Налейте вода в епруветка с пясък. Обемът на смес от вода и пясък в епруветка е по-малък от сбора на обемите вода и пясък.
ОПИТ 2.Напълнете наполовина дълга стъклена тръба с вода и след това изсипете оцветен алкохол отгоре. Общо нивоза маркиране на течности в тръбата с гумен пръстен. След смесване на вода и алкохол обемът на сместа намалява.
(Опити 1 и 2. доказват, че има празнини между частиците на веществото; по време на дифузия те се запълват с частици от вещество - извънземно.)
ОПИТ 3.Памучен тампон, навлажнен с амоняк, се довежда до контакт с памучен тампон, навлажнен с фенолфталеинов индикатор. Наблюдаваме оцветяването на руното в пурпурен цвят.
Сега памучен тампон, навлажнен с амоняк, се поставя на дъното на стъклен съд и се навлажнява с фенолфталеин. Прикрепете към капака и покрийте стъкления съд с този капак. След известно време памучната вата, навлажнена с фенолфталеин, започва да се оцветява.
В резултат на взаимодействие с амоняка, фенолфталеинът се превръща в пурпурен цвят, който наблюдавахме при контакт на руното. Но защо тогава, във втория случай, памучна вата, навлажнена с фенолфталеин. Освен това е оцветен, защото сега руната не бяха докоснати? Отговор: непрекъснато хаотично движение на частици от вещества.
ОПИТ 4.По протежение на стената във висок цилиндричен съд спуснете тясна лента филтърна хартия, напоена със смес от нишестена паста с индикаторен разтвор на фенолфталеин. Поставете йодни кристали на дъното на съда. Съдът се затваря плътно с капак, към който е суспендирана памучна вата, напоена с амонячен разтвор.
Поради взаимодействието на йод с нишесте, синьо-виолетово оцветяване се издига на лента хартия. В същото време надолу се разпространява пурпурен цвят - доказателство за движението на молекулите на амоняк. След няколко минути границите на цветните зони на хартията ще се срещнат и след това синият и пурпурният цветове се смесват, тоест настъпва дифузия [10] .
ОПИТ 5.(изхарчени заедно) Вземете часовник със втора стрелка, рулетка, бутилка тоалетна вода и застанете в различни ъгли на стаята. Човек отчита времето и отваря бутилката. Друг бележи времето, когато мирише на тоалетна вода. Чрез измерване на разстоянието между експериментаторите намираме скоростта на дифузия. За точност експериментът се повтаря 3 - 4 пъти, като се намира средната стойност на скоростта. Ако разстоянието между експериментаторите е 5 метра, тогава миризмата се усеща след 12 минути. Тоест скоростта на дифузия в този случай е 2,4 m / min.
ОПИТ 6.ОПРЕДЕЛЯНЕ НА ВИСКОЗИТЕТА НА ПЛАЗМАТА ЧРЕЗ МЕТОД НА ПЛАЗМОЛИЗА (по P.A. Genkel).
Скорост на настъпление изпъкнала плазмолиза в растителните клетки, когато се третира с хипертаничен разтвор, зависи от вискозитета на цитоплазмата; колкото по-нисък е вискозитетът на цитоплазмата, толкова по-рано вдлъбнатата плазмолиза става изпъкнала. Вискозитетът на цитоплазмата зависи от степента на дисперсия на колоидни частици и тяхната хидратация, от съдържанието на вода в клетката, от възрастта на клетките и други фактори.
напредък.От листа от алое се прави тънък разрез на епидермиса или епидермисът се откъсва от меките люспи на лука. Приготвените секции се тонират в часовниково стъкло за 10 минути в разтвор с неутрално червено концентрация 1: 5000. След това резените от предмета се поставят върху предметно стъкло в капка захароза с ниска концентрация и се покриват с едно покривно стъкло. Под микроскоп се отбелязва състоянието на плазмолиза. Първо, в клетките се забелязва вдлъбната плазмолиза. В бъдеще тази форма или се запазва, или с различна скорост се трансформира в изпъкнала форма. Важно е да се отбележи времето за преход на вдлъбната плазмолиза към изпъкнала. Интервалът от време, през който вдлъбнатата плазмолиза става изпъкнала, е индикатор за степента на вискозитет на протоплазмата. Колкото по-дълга е продължителността на прехода към изпъкнала плазмолиза, толкова по-висок е вискозитетът на плазмата. Плазмолизата в клетките на лука започва по-бързо, отколкото в кожата на алоето. Това означава, че цитоплазмата на клетките на алое е по-вискозна.
ОПИТ 7.ПЛАЗМОЛИЗА. ДЕПЛАЗМОЛИЗА. ПРОНИКВАНЕ НА ВЕЩЕСТВА ВЪВ ВАКУОЛ [2]
Някои органични вещества проникват във вакуолата доста бързо. В клетките, когато се държат в разтвори на такива вещества, плазмолизата се губи сравнително бързо и настъпва деплазмолиза.
Деплазмолизата е възстановяване на тургора в клетките(т.е. явлението, противоположно на плазмолизата).
напредък.Части от горния епидермис от цветни люспи на лука (вдлъбната страна) се поставят в капка IM разтвор на тор за растения от урея или глицерин директно върху предметно стъкло, покрито с покривно стъкло. След 15-30 минути обектите се изследват под микроскоп. Плазмолизираните клетки са ясно видими. Оставете секциите в капка разтвор за още 30-40 минути. След това отново се изследват под микроскоп и се наблюдава деплазмолиза - възстановяване на тургора.
Заключение : растенията не могат ясно да контролират количеството химикали, влизащи и напускащи клетките.
III. Заключение.
Процесите на физични и химични движения на елементите в земните недра и във Вселената, както и процесите на жизнена дейност на клетките и тъканите на живите организми, се подчиняват на законите на дифузията. Дифузията играе важна роля в различни областинаука и техника, в процесите, протичащи в живата и неживата природа. Дифузията засяга потока на много химична реакция, както и много физикохимични процеси и явления: мембрана, изпаряване, кондензация, кристализация, разтваряне, набъбване, горене, каталитични, хроматографски, луминесцентни, електрически и оптични в полупроводниците, неутронно задържане в ядрените реактори и др. Дифузията е от голямо значение при образуването на двоен електрически слой на фазовите граници, дифузионофореза и електрофореза, при фотографски процеси за бързо получаване на изображение и др. Дифузията служи като основа за много общи технически операции: синтероване на прахове, химико-термични обработка на метали, метализация и заваряване на материали, дъбене на кожа и кожи, боядисване на влакна, движещи се газове с помощта на дифузионни помпи. Ролята на дифузията се е увеличила значително поради необходимостта от създаване на материали с предварително определени свойства за разработване на области на технологията ( ядрената енергия, космонавтика, радиационни и плазмохимични процеси и др.). Познаването на законите, регулиращи дифузията, ви позволява да предотвратите нежелани промени в продуктите, които възникват под въздействието на високи натоварвания и температури, радиация и много, много повече ...
Какъв би бил светът без дифузия? Спрете термичното движение на частиците - и всичко наоколо ще умре!
В работата си обобщих събрания материал по темата на резюмето и подготвих презентация, направена в редактора на Power Point за защитата му. Тази презентация, според мен, ще може да разнообрази материала на урока по тази тема. Някои от експериментите, описани в литературата, бяха повторени и леко модифицирани от мен. Повечето интересни примеридифузиите са представени на презентационни слайдове в анимационни модели.
IV. Използвани книги:
1. Антонов В. Ф., Черниш А. М., Пасечник В. И. и др. Биофизика.
М., Арктос-Вика-прес, 1996г
2. Афанасиев Ю.И., Юрина Н.А., Котовски Е.Ф. и друга хистология.
М. Медицина, 1999.
3. Alberts B., Bray D., Lewis J. и др. Молекулярна биология на клетката.
В 3 тома. Том 1.М., Мир, 1994г.
4. Страхотна енциклопедияКирил и Методий 2006г
5. Варикаш В.М. и друга физика в природата. Минск, 1984 г.
6. Демянков Е.Н. Задачи по биология. М. Владос, 2004г.
7. Николаев Н.И. Дифузия в мембраните. М. Химия, 1980, с. 76
8. Peryshkin A.V. Физика. 7. М. Дропла, 2004 г.
9. Физически енциклопедичен речник, М., 1983, с. 174-175, 652, 754
10. Шабловски В. Забавна физика... Санкт Петербург, "тригон" 1997, с. 416
11.xttp // био. fizten / ru. /
12.xttp // markiv. narod.ru./
13. "http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%94%D0%B8%D1%84%D1%84%D1%83%D0%B7%D0%B8%D1%8F" Категории: Явления на атомно ниво | Термодинамични явления | Трансферни феномени | Дифузия
Подобни статии
-
Кратко описание на материала на територията на Воронеж за външния свят (4 клас) по темата Необичайни забележителности на Воронеж
В необятността на Руската равнина има живописна земя - Воронежска област. Умереноконтиненталният климат, преобладаващ в тези части, позволява не само да се насладите на летните горещини, но и да се любувате на заснежените степи на региона, ...
-
Географско положение и зониране на Хабаровска територия
Хабаровска територия е създадена през 1938 г. Това е един от най-големите съставни образувания на Руската федерация по отношение на размера. Площта му е 787,6 хиляди квадратни метра. км, или 4,6 процента от територията на Русия (4-то място в Руската федерация) и ...
-
Индия по време на Втората световна война
Втората световна война донесе фундаментални промени в международната обстановка и във вътрешната обстановка в Индия. Икономиката, особено селското стопанство, беше в криза. Продължителното колониално потисничество доведе до бедност и разруха на широки...
-
Интересни факти за града
Page 1 Територията Хабаровск е едно от най-големите по размер административно-териториални образувания на Руската федерация, разположено в централната част на Далечния изток на Русия. Територията на района се простира от юг на север на 1800 км, с ...
-
Географско разположение на Апенинския полуостров Географско разположение на Апенинския полуостров
Апенинският полуостров е най-големият полуостров в Европа, който се намира в южната част на континента. От три страни се измива от водите на Средиземно море, а на север се пресича с Алпийския хребет. На полуострова основно...
-
"Капитано Русо": Историята на руски офицер, който стана партизанин в Италия по време на Втората световна война
След победата в Етиопската война от 1935-36 г. така нареченият. Италианска Източна Африка, от която Мусолини планира да започне създаването на втората Римска империя. Няколко десетки хиляди италиански войници бяха съсредоточени в региона, за да помогнат...