Что такое диффузия в физике диф. Реферат: Тема: «Диффузия в живой и неживой природе. Диффундирование газов в металлах

ДИФФУЗИЯ -и; ж. [от лат. diffusio - распространение, растекание] 1. Физ. Взаимное проникновение соприкасающихся веществ друг в друга вследствие теплового перемещения частиц вещества. Д. газов. Д. жидкостей. 2. Взаимопроникновение, взаимообмен чем-л. Толковый словарь Кузнецова

диффузия - диффузия ж. 1. Взаимное проникновение соприкасающихся веществ друг в друга вследствие теплового движения молекул и атомов. 2. Взаимопроникновение, взаимообмен чем-либо. Толковый словарь Ефремовой

Диффузия - (лат. diffusio распространение, растекание) процесс самопроизвольного взаимопроникновения соприкасающихся веществ за счет теплового движения частиц; является одним из основных процессов, обеспечивающих перемещение веществ в клетках и тканях. Медицинская энциклопедия

Диффузия - I Диффу́зия (от лат. diffusio - распространение, растекание) взаимное проникновение соприкасающихся веществ друг в друга вследствие теплового движения частиц вещества. Большая советская энциклопедия

Диффузия - Культурная взаимное проникновение культурных черт и комплексов из одного общества в другое при их соприкосновении. Словарь по культурологии

Диффузия - (от лат. diffusio - распространение, растекание, рассеивание * a. diffusion; н. Diffusion; ф. diffusion; и. difusion) - перенос вещества, обусловленный выравниванием его концентрации в первоначально неоднородной системе. Д. - одна из стадий многочисл. Горная энциклопедия

Диффузия - Д. называется частичное распространение тел друг в друга, результатом чего является полная однородность системы, в начале разнородной. Д. происходит в жидкостях, газах и твердых телах. Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона

диффузия - 1) проникновение молекул одного вещества (газа, жидкости, твердого тела) в другое при их непосредственном соприкосновении или через пористую перегородку. Микробиология. Словарь терминов

ДИФФУЗИЯ - ДИФФУЗИЯ (от лат. diffusio - распространение, растекание, рассеивание) - движение частиц среды, приводящее к переносу вещества и выравниванию концентраций или к установлению равновесного распределения концентраций частиц данного сорта в среде. Большой энциклопедический словарь

диффузия - ДИФФ’УЗИЯ, см. дифузия. Толковый словарь Ушакова

диффузия - сущ., кол-во синонимов: 9 бародиффузия 1 проникновение 32 пьезодиффузия 1 распространение 37 рассеивание 29 растекание 5 самодиффузия 1 термодиффузия 2 электродиффузия 1 Словарь синонимов русского языка

ДИФФУЗИЯ - ДИФФУЗИЯ - англ. diffusion; нем. Diffusion. 1. Распространение и принятие определенных объектов (инноваций, информации, элементов культуры) в соц. системе. 2. Заимствование, усвоение элементов другой культуры. Социологический словарь

диффузия - -и, ж. физ. Взаимное проникновение соприкасающихся веществ друг в друга вследствие теплового перемещения частиц вещества. Диффузия газов. Диффузия жидкостей. [От лат. diffusio - распространение, растекание] Малый академический словарь

диффузия - Диффузия, диффузии, диффузии, диффузий, диффузии, диффузиям, диффузию, диффузии, диффузией, диффузиею, диффузиями, диффузии, диффузиях Грамматический словарь Зализняка

ДИФФУЗИЯ - ДИФФУЗИЯ, перемещение вещества в смеси из область с высокой концентрацией в области с низкой концентрацией, вызванное случайным перемещением отдельных атомов или молекул. Диффузия прекращается, когда исчезает градиент концентрации. Научно-технический словарь

диффузия - Диффузии, ж. [латин. diffusio] (физ.). Взаимное проникновение друг в друга разнородных тел, приведенных в соприкосновение. Диффузии жидкостей. Большой словарь иностранных слов

диффузия - ДИФФУЗИЯ, и, ж. (спец.). Взаимное проникновение частиц одного вещества в другое при их соприкосновении. Д. газов. | прил. диффузионный, ая, ое. Толковый словарь Ожегова

Диффузия переводится с латыни, как распространение или взаимодействие. Диффузия является очень важным понятием физики. Суть диффузии заключается в проникновении одних молекул вещества в другие. В процессе перемешивания происходит выравнивание концентраций обоих веществ по занимаемому ими объему. Вещество из места с большей концентрацией переходит в место с меньшей концентрацией, за счет этого и происходит выравнивание концентраций. Рассмотрев, что такое диффузия, следует перейти к условиям, которые могут оказывать воздействие на скорость протекания этого явления.

Факторы, влияющие на диффузию

Чтобы понять, от чего зависит диффузия, рассмотрим факторы, которые на нее влияют.

Диффузия зависит от температуры. Скорость диффузии будет увеличиваться с увеличением температуры, потому что при повышении температуры будет увеличиваться скорость движения молекул, то есть молекулы будут быстрее перемешиваться. Агрегатное состояние вещества тоже будет влиять на то, от чего зависит диффузия, а именно на скорость диффузии. Тепловая диффузия зависит от вида молекул. Например, если предмет металлический, то тепловая диффузия протекает быстрее, в отличие от того, если бы этот предмет был сделан из синтетического материала. Очень медленно протекает диффузия между твердыми материалами. Диффузия имеет огромное значение в природе и в жизни человека.

Примеры диффузии

Чтобы лучше разобраться, что такое диффузия, рассмотрим ее на примерах. Молекулы веществ, не зависимо от их агрегатного состояния постоянно находятся в движении. Следовательно, диффузия происходит в газах, может происходить в жидкостях, а также в твердых телах. Диффузией является перемешивание газов. В простейшем случае, это распространение запахов. Если в воду поместить какой-нибудь краситель, то спустя время жидкость равномерно окрасится. Если два металла соприкасаются, то на границе соприкосновения происходит перемешивание их молекул.

Итак, диффузией является перемешивание молекул вещества при их беспорядочном тепловом движении.

Все указанные виды диффузии описываются одними и теми же феноменологич. соотношениями.
Основные понятия. Главной характеристикой диффузии служит плотность диффузионного потока J - кол-во в-ва, переносимого в единицу времени через единицу площади пов-сти, перпендикулярной направлению переноса. Если в среде, где отсутствуют градиенты т-ры, давления , электрич. потенциала и др., имеется градиент концентрации с (х, t), характеризующий ее изменение на единицу длины в направлении х (одномерный случай) в момент времени t, то в изотропной покоящейся среде

J = - D(дс/дх), (1)

где D - коэффициент диффузии (м 2 /с); знак "минус" указывает на направление потока от больших концентраций к меньшим. Пространственно-временное распределение концентрации :

Ур-ния (1) и (2) наз. первым и вторым законами Фика. Трехмерная диффузия [с (х, у, z; t)] описывается ур-ниями:

J = - D grad c (3)

где J - вектор плотности диффузионного потока, grad - градиент поля концентрации . Перенос частиц в среде осуществляется как последовательность их случайных перемещений, причем абс. величина и направление каждого из них не зависят от предыдущих. Диффузионное движение в среде каждой частицы обычно характеризуют среднеквадратичным смещением L 2 от исходного положения за время t. Для трехмерного пространства справедливо первое соотношение Эйнштейна: L 2 = GDt. Т. обр., параметр D характеризует эффективность воздействия среды на частицы. В случае диффузии в многокомпонентных смесях в отсутствие градиентов давления и т-ры (изобарно-изотермич. диффузия) для упрощения описания взаимного проникновения компонентов при наличии градиентов их концентраций вводят т. наз. коэффициенты взаимной диффузии. Напр., при одномерной диффузии в двухкомпонентной системе выражение для диффузионного потока одного из компонентов принимает вид:

где c 1 + с 2 = const, D 12 = D 21 - коэф. взаимной диффузии обоих компонентов. В результате неравномерного нагревания среды под влиянием градиента т-ры происходит перенос компонентов газовых или жидких смесей - термодиффузия (в р-рах - эффект Соре). Если между отдельными частями системы поддерживается постоянная разность т-р, то вследствие термодиффузии в объеме смеси появляются градиенты концентрации компонентов, что инициирует обычную диффузию. Последняя в стационарном состоянии (при отсутствии потока в-ва) уравновешивает термодиффузию, и в системе возникает разность концентраций компонентов. Это влияние лежит в основе одного из методов разделения изотопов , а также термодиффузионного разделения нефтяных фракций. При внеш. воздействии на систему градиента давления или гравитац. поля возникает бародиффузия. Примеры: диффузионное осаждение мелких взвешенных частиц при столкновении их с молекулами газа (см. Пылеулавливание); баромембранные процессы - обратный осмос , микро- и ультрафильтрация (см. Мембранные процессы разделения , Осмос). Действие на систему внеш. электрич. поля вызывает направленный перенос заряженных частиц - электродиффузию . Примеры: электромембранные процессы, напр., электродиализ - разделение под действием электрич. тока ионизированных соед. вследствие избират. переноса ионов через ионообменные мембраны ; диффузия носителей заряда - перемещение электронов проводимости и дырок, обусловленное неоднородностями их концентрации в полупроводниках . Математически законы Фика аналогичны ур-ниям теплопроводности Фурье. В основе такой аналогии лежат общие закономерности необратимых процессов перераспределения интенсивных параметров состояния (концентрации , т-ры, давления и др.) между разл. частями к.-л. системы при стремлении ее к термодинамич. равновесию . При малых отклонениях системы от него эти закономерности описываются линейными соотношениями между потоками физ. величин и термодинамич. силами, т. е. градиентами параметров, вызывающими указанные отклонения. В частности, диффузионный поток частиц данного типа, помимо градиентов концентраций частиц каждого типа, может при соответствующих условиях в большей степени определяться градиентами др. интенсивных параметров и внеш. силами. В общем виде связь между потоками и силами описывается феноменологич. ур-ниями термодинамики необратимых процессов . Напр., в случае электронейтральной бинарной газовой системы при наличии градиента т-ры дТ/дх, градиента давления др/дх и градиента электрич. потенциала д j /дx выражение для диффузионного потока частиц с зарядом q i в одномерном случае принимает вид:

где с - общее число частиц смеси в единице объема; n i = c i /c -относит. доля частиц i-гo компонента (i = 1, 2); D p , D T - коэф. баро- и термодиффузии; m i = q i D/kТ (соотношение Нернста - Эйнштейна) - подвижность частиц 1-го компонента в электрич. поле; k - постоянная Больцмана ; T - абс. т-ра. Напр., в бинарной газовой смеси при постоянном давлении и отсутствии внеш. сил полный диффузионный поток

При отсутствии потока (J = 0) распределение концентраций находят по ф-ле:

где k T = D T /D 12 . Коэф. D T в значит. степени зависит от межмолекулярного взаимод., поэтому его изучение позволяет исследовать межмолекулярные силы в разл. средах. Одновременно с диффузионным переносом частиц посторонних в-в (примесей), неравномерно распределенных в к.-л. среде, происходит самодиффузия - случайное перемещение частиц самой среды, хим. состав к-рой при этом не изменяется. Данный процесс, наблюдаемый даже в отсутствие в системе термодинамич. сил, описывается ур-ниями Фика, в к-рых D заменен параметром D c , называемым коэф. самодиффузии. Эффекты самодиффузии могут приводить к сращиванию двух пришлифованных образцов одного и того же в-ва, спеканию порошков при пропускании через них электрич. тока, к растягиванию тел под действием подвешенного к ним груза (диффузионная ползучесть материалов) и т. д. При взаимной диффузии в твердых телах поток атомов одного сорта может превосходить идущий в обратном направлении поток атомов др. сорта , если для нескомпенсир. вакансий (а возможно, и для нескомпенсир. атомов) имеются стоки. При этом в кристалле появляются поры, приводящие к нарушению устойчивости кристаллич. решетки как мех. системы и, вследствие этого, к смещению кристаллич. плоскостей как целого (эффект Киркиндаля). В частности, при взаимной диффузии в бинарных металлич. системах наблюдается перемещение "инертных" меток, напр., тонких тугоплавких проволочек из Мо или W диаметром неск. мкм, внесенных в зону диффузии. Скорость диффузионного массопереноса в разл. в-вах или материалах иногда удобно характеризовать константой их проницаемости П = D g , где g - константа Генри, определяющая равновесную р-римость переносимого компонента. В частности, выражение для стационарного потока молекул газа , диффундирующих через разделит. перегородку (мембрану) толщиной d , имеет вид: J = П gD р/ d , где D р - разность парциальных давлений разделяемых компонентов газовой смеси по обе стороны перегородки. Коэф. диффузии существенно различаются для диффузионных процессов в газовых и конденсированных (жидких и твердых) средах: наиб. быстро перенос частиц происходит в газах (D порядка 10 - 4 м 2 /с при нормальных т-ре и давлении), медленнее - в жидкостях (порядка 10 - 9), еще медленнее - в твердых телах (порядка 10 - 12). Проиллюстрируем указанные выводы на примерах молекулярной диффузии.
Диффузия в газовых средах. Для оценки D в качестве характерного (среднего) смещения частиц принимают длину своб. пробега молекул l = u t , где и и t - средние скорость движения частиц и время между их столкновениями. В соответствии с первым соотношением Эйнштейна D ~ l 2 t -1 ; более точно D = 1/3 lu. Коэф. диффузии обратно пропорционален давлению р газа , поскольку l ~ 1/р; с повышением т-ры Т (при постоянном объеме) D возрастает пропорционально T 1/2 , т. к. ; с увеличением мол. массы газа D снижается. Согласно кинетич. теории газов , коэф. взаимной диффузии газов А и В в бинарной смеси (табл. 1)

где р - полное давление в системе, т A и т B - массы газов , s A и s B - параметры потенциала Леннард-Джонса (см., напр., Абсорбция).


Большой практич. интерес представляет перенос газов через сквозные поры в твердых телах . При относительно малых давлениях газа или размерах пор (r 0), когда частота столкновений молекул газа со стенками пор превышает частоту взаимных столкновений молекул , т. е. средняя длина их своб. пробега l >> r 0 (для нормального давления при r 0 < 10 - 7 м), наблюдается т. наз. кнудсеновская диффузия. При этом газовый поток через пористую перегородку пропорционален средней скорости молекул и константа газопроницаемости определяется из ур-ния:

где N s - поверхностная плотность пор в перегородке. Поскольку средняя скорость молекул обратно пропорциональна квадратному корню из их масс , компоненты разделяемой газовой смеси проникают через поры мембраны с разл. скоростями; в результате прошедшая через перегородку смесь обогащается более легкими компонентами. С увеличением давления газа в таких пористых системах возрастает поверхностная концентрация молекул , адсорбированных на стенках пор. Образовавшийся адсорбц. слой может оказаться подвижным и перемещаться вдоль пов-сти поры, вследствие чего параллельно с объемным диффузионным переносом в ней возможна поверхностная диффузия газа . Последняя оказывает иногда существ. влияние на кинетику хим. превращений, обусловливая неравновесное распределение в системе взаимод. реагентов .
Диффузия в конденсированных средах. В жидкостях и твердых телах диффузия осуществляется перескоками частиц из одного устойчивого положения в другое, расстояние между ними имеет порядок межмолекулярного. Для таких перескоков необходимы локальная перестройка ближнего окружения каждой частицы (вероятность перестройки характеризуется энтропией активации D S) и случайное накопление в этой области нек-рого кол-ва тепловой энергии E D (энергия активации диффузии). После перескока каждая частица оказывается в новом энергетически выгодном положении, а выделяющаяся энергия рассеивается в среде. При этом D = D 0 exp(- E D /RT), где D 0 = n exp (D S/R) - энтропийный фактор, зависящий от частоты "тепловых ударов" молекул среды (n ~ 10 12 с - 1), R - газовая постоянная . Диффузионное движение частиц в жидкости определяется ее вязкостными св-вами, размерами частиц и характеризуется их т. наз. подвижностью ( ~ D/kT откуда D ~ (kT (второе соотношение Эйнштейна). Параметр (- коэф. пропорциональности между скоростью частицы и и движущей силой F при стационарном движении с трением (и = (F). Напр., в случае сферически симметричных частиц радиусом г. для к-рых ( = 1/6 p r h (T), справедливо ур-ние Стокса-Эйнштейна: D = kT/6 p r h (T), где h (T) - коэф. динамич. вязкости среды в функции от т-ры. Повышение D с увеличением т-ры в жидкостях объясняется уменьшением плотности упаковки их молекул ("разрыхлением структуры") при нагр. и, как следствие, возрастанием числа перескоков частиц в единицу времени. Коэф. диффузии разных в-в в жидкостях приведены в табл. 2 и 3; характерные значения E D ~ 20-40 кДж/моль .

Коэф. диффузии в твердых орг. телах имеют значит. разброс, достигая в ряде случаев значений, сравнимых с соответствующими параметрами в жидкостях . Наиб. интерес представляет диффузия газов в полимерах . Коэф. диффузии в них (табл. 4) зависят от размеров диффундирующих молекул , особенностей взаимод. их с фрагментами макромолекул , подвижности полимерных цепей, своб. объема полимера (разность между реальным объемом и суммарным объемом плотно упакованных молекул) и неоднородностью его структуры.


Высокие значения D при т-рах выше т-ры стеклования полимеров обусловлены большой подвижностью в данных условиях фрагментов макромолекул , что приводит к перераспределению своб. объема и соотв. к возрастанию D S и уменьшению E D . При т-рах ниже т-ры стеклования коэф. диффузии имеют, как правило, меньшие значения. При диффузии в полимерах жидкостей значения D могут зависеть от концентрации растворенных компонентов вследствие их пластифицирующего действия. Коэф. диффузии ионов в ионообменных смолах в значит. степени определяются их влагосодержанием (среднее число п молекул воды , приходящееся на одну ионогенную группу). При высоком влагосодержании (п > 15) коэф. диффузии сопоставимы с соответствующими D для ионов в электролитах (см. табл. 5 и 3). При п < 10 коэф. диффузии экспоненциально снижаются с уменьшением п.


В твердых неорг. телах, где доля своб. объема и амплитуды колебаний атомов кристаллич. решетки незначительны, диффузия обусловлена наличием нарушений в их структуре (см. Дефекты в кристаллах), возникающих при изготовлении, нагревании, деформациях и др. воздействиях. При этом м. б. реализованы неск. механизмов диффузии: обмен местами атомов и обмен местами двух соседних атомов , одновременное циклич. перемещение неск.

Диффузия

Примером диффузии может служить перемешивание газов (например, распространение запахов) или жидкостей (если в воду капнуть чернил, то жидкость через некоторое время станет равномерно окрашенной). Другой пример связан с твёрдым телом: атомы соприкасающихся металлов перемешиваются на границе соприкосновения. Важную роль диффузия частиц играет в физике плазмы .

Обычно под диффузией понимают процессы, сопровождающиеся переносом материи , однако иногда диффузионными называют также другие процессы переноса: теплопроводность , вязкое трение и т. п.

Скорость протекания диффузии зависит от многих факторов. Так, в случае металлического стержня тепловая диффузия проходит очень быстро. Если же стержень изготовлен из синтетического материала, тепловая диффузия протекает медленно. Диффузия молекул в общем случае протекает ещё медленнее. Например, если кусочек сахара опустить на дно стакана с водой и воду не перемешивать, то пройдёт несколько недель, прежде чем раствор станет однородным. Ещё медленнее происходит диффузия одного твёрдого вещества в другое. Например, если медь покрыть золотом , то будет происходить диффузия золота в медь, но при нормальных условиях (комнатная температура и атмосферное давление) золотосодержащий слой достигнет толщины в несколько микронов только через несколько тысяч лет.

Количественно описание процессов диффузии было дано немецким физиологом А. Фиком (англ. ) в 1855 г.

Общее описание

Все виды диффузии подчиняются одинаковым законам. Скорость диффузии пропорциональна площади поперечного сечения образца, а также разности концентраций , температур или зарядов (в случае относительно небольших величин этих параметров). Так, тепло будет в четыре раза быстрее распространяться через стержень диаметром в два сантиметра, чем через стержень диаметром в один сантиметр. Это тепло будет распространяться быстрее, если перепад температур на одном сантиметре будет 10 °C вместо 5 °C. Скорость диффузии пропорциональна также параметру, характеризующему конкретный материал. В случае тепловой диффузии этот параметр называется теплопроводность , в случае потока электрических зарядов - электропроводность . Количество вещества, которое диффундирует в течение определённого времени, и расстояние, проходимое диффундирующим веществом, пропорциональны квадратному корню времени диффузии.

Диффузия представляет собой процесс на молекулярном уровне и определяется случайным характером движения отдельных молекул. Скорость диффузии в связи с этим пропорциональна средней скорости молекул. В случае газов средняя скорость малых молекул больше, а именно она обратно пропорциональна квадратному корню из массы молекулы и растёт с повышением температуры. Диффузионные процессы в твёрдых телах при высоких температурах часто находят практическое применение. Например, в определённых типах электронно-лучевых трубок (ЭЛТ) применяется металлический торий , продиффундировавший через металлический вольфрам при 2000 °C.

Если в смеси газов масса одной молекулы в четыре раза больше другой, то такая молекула передвигается в два раза медленнее по сравнению с её движением в чистом газе. Соответственно, скорость диффузии её также ниже. Эта разница в скорости диффузии лёгких и тяжёлых молекул применяется, чтобы разделять субстанции с различными молекулярными весами. В качестве примера можно привести разделение изотопов . Если газ, содержащий два изотопа, пропускать через пористую мембрану, более лёгкие изотопы проникают через мембрану быстрее, чем тяжёлые. Для лучшего разделения процесс производится в несколько этапов. Этот процесс широко применялся для разделения изотопов урана (отделение 235 U от основной массы 238 U). Поскольку такой способ разделения требует больших энергетических затрат, были развиты другие, более экономичные способы разделения. Например, широко развито применение термодиффузии в газовой среде. Газ, содержащий смесь изотопов, помещается в камеру, в которой поддерживается пространственный перепад (градиент) температур. При этом тяжёлые изотопы со временем концентрируются в холодной области.

Уравнения Фика

С точки зрения термодинамики движущим потенциалом любого выравнивающего процесса является рост энтропии . При постоянных давлении и температуре в роли такого потенциала выступает химический потенциал µ , обуславливающий поддержание потоков вещества. Поток частиц вещества пропорционален при этом градиенту потенциала

~

В большинстве практических случаев вместо химического потенциала применяется концентрация C . Прямая замена µ на C становится некорректной в случае больших концентраций, так как химический потенциал перестаёт быть связан с концентрацией по логарифмическому закону. Если не рассматривать такие случаи, то вышеприведённую формулу можно заменить на следующую:

которая показывает, что плотность потока вещества J пропорциональна коэффициенту диффузии D [()] и градиенту концентрации. Это уравнение выражает первый закон Фика. Второй закон Фика связывает пространственное и временное изменения концентрации (уравнение диффузии):

Коэффициент диффузии D зависит от температуры. В ряде случаев в широком интервале температур эта зависимость представляет собой уравнение Аррениуса .

Дополнительное поле, наложенное параллельно градиенту химического потенциала, нарушает стационарное состояние. В этом случае диффузионные процессы описываются нелинейным уравнением Фоккера-Планка . Процессы диффузии имеют большое значение в природе:

• Питание, дыхание животных и растений;
• Проникновение кислорода из крови в ткани человека.

Геометрическое описание уравнения Фика

Во втором уравнении Фика в левой части стоит скорость изменения концентрации во времени, а в правой части уравнения - вторая частная производная, которая выражает пространственное распределение концентрации, в частности, выпуклость функции распределения температур, проецируемую на ось х.

См. также

• Поверхностная диффузия - процесс, связанный с перемещением частиц, происходящий на поверхности конденсированного тела в пределах первого поверхностного слоя атомов (молекул) или поверх этого слоя.

Примечания

Литература

• Бокштейн Б. С. Атомы блуждают по кристаллу. - М .: Наука, 1984. - 208 с. - (Библиотечка «Квант» . Вып. 28). - 150 000 экз.

Ссылки

• Диффузия (видеоурок, программа 7 класса)
• Диффузия примесных атомов на поверхности монокристалла

Wikimedia Foundation . 2010 .

Синонимы :

Смотреть что такое "Диффузия" в других словарях:

- [лат. diffusio распространение, растекание] физ., хим. проникновение молекул одного вещества (газа, жидкости, твердого тела) в другое при их непосредственном соприкосновении или через пористую перегородку. Словарь иностранных слов. Комлев Н.Г.,… … Словарь иностранных слов русского языка

Диффузия - – проникновение в среду частиц одного вещества частиц другого вещества, происхо дящее вследствие теплового движения в направлении уменьшения концентрации другого вещества. [Блюм Э. Э. Словарь основных металловедческих терминов. Екатеринбург … Энциклопедия терминов, определений и пояснений строительных материалов

Современная энциклопедия

- (от лат. diffusio распространение растекание, рассеивание), движение частиц среды, приводящее к переносу вещества и выравниванию концентраций или к установлению равновесного распределения концентраций частиц данного сорта в среде. В отсутствие… … Большой Энциклопедический словарь

ДИФФУЗИЯ, перемещение вещества в смеси из область с высокой концентрацией в области с низкой концентрацией, вызванное случайным перемещением отдельных атомов или молекул. Диффузия прекращается, когда исчезает градиент концентрации. Скорость… … Научно-технический энциклопедический словарь

диффузия - и, ж. diffusion f., нем. Diffusion <лат. diffusio растекание, распространение. Взаимное проникновение соприкасающихся веществ друг в друга вследствие теплового движения молекул и атомов. Диффузия газов, жидкостей. БАС 2. || перен. Они… … Исторический словарь галлицизмов русского языка

Диффузия - (от латинского diffusio распространение, растекание, рассеивание), движение частиц среды, приводящее к переносу вещества и выравниванию концентраций или установлению их равновесного распределения. Обычно диффузия определяется тепловым движением… … Иллюстрированный энциклопедический словарь

Перемещение частиц в направлении убывания их концентрации, обусловленное тепловым движением. Д. приводит к выравниванию концентраций диффундирующего вещества и равномерному заполнению частицами объема.… … Геологическая энциклопедия

МОУ Заозёрная СОШ с углубленным изучением отдельных предметов №16

Тема: «Диффузия в живой и неживой природе».

Выполнил:

ученик 8 А класса Зябрев Кирилл.

Учитель физики: Завьялова Г.М.

Учитель биологии: Зябрева В.Ф.

Томск – 2008

I. Введение. ………………………………………………………… 3

II. Диффузия в живой и неживой природе.

1. История открытия явления. …………………………………. 4

2. Диффузия, её виды. ………………………………………….. 6

3. От чего зависит скорость диффузии? ……………………….. 7

4. Диффузия в неживой природе. ……………………………... 8

5. Диффузия в живой природе. ………………………………… 9

6. Использование явлений диффузии. …………………………. 16

7. Проектирование отдельных явлений диффузии. …………… 17

III. Заключение. …………………………………………………... 20

IV. Используемая литература. …………………………………. . 21

I. Введение.

Как много удивительного и интересного происходит вокруг нас. Светят на ночном небе далёкие звёзды, горит в окне свеча, ветер разносит аромат цветущей черёмухи, тебя провожает взглядом стареющая бабушка…. Многое хочется узнать, попытаться объяснить самостоятельно. Ведь многие природные явления связаны с процессами диффузии, о которой мы говорили недавно в школе. Но говорили так мало!

Цели работы :

1. Расширить и углубить знания о диффузии.

2. Смоделировать отдельные диффузионные процессы.

3. Создать дополнительный материал в компьютерном исполнении для использования на уроках физики и биологии.

Задачи:

1. Найти необходимый материал в литературе, Интернет-сети, изучить и проанализировать его.

2. Выяснить, где в живой и неживой природе (физике и биологии) встречаются явления диффузии, какое значение они имеют, где применяются человеком.

3. Описать и спроектировать наиболее интересные опыты по данному явлению.

4. Создать анимационные модели некоторых диффузионных процессов.

Методы: анализ и синтез литературы, проектирование, моделирование.

Моя работа состоит из трёх частей; основная часть – из 7 глав. Мной были изучены и обработаны материалы 13 литературных источников, среди которых учебная, справочная, научная литература и Интернет-сайты, а также подготовлена презентация, сделанная в редакторе Power Point.

II. Диффузия в живой и неживой природе.

II .1. История открытия явления диффузии.

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.

Первая количественная теория броуновского движения была дана А. Эйнштейном и М. Смолуховским в 1905-06 гг. на основе молекулярно-кинетической теории. Было показано, что случайные блуждания броуновских частиц связаны с их участием в тепловом движении наравне с молекулами той среды, в которой они взвешены. Частицы обладают в среднем такой же кинетической энергией, но из-за большей массы имеют меньшую скорость. Теория броуновского движения объясняет случайные движения частицы действием случайных сил со стороны молекул и сил трения. Согласно этой теории, молекулы жидкости или газа находятся в постоянном тепловом движении, причем импульсы различных молекул не одинаковы по величине и направлению. Если поверхность частицы, помещенной в такую среду, мала, как это имеет место для броуновской частицы, то удары, испытываемые частицей со стороны окружающих ее молекул, не будут точно компенсироваться. Поэтому в результате «бомбардировки» молекулами броуновская частица приходит в беспорядочное движение, меняя величину и направление своей скорости примерно 1014 раз в сек. Из этой теории следовало, что, измерив смещение частицы за определенное время и зная ее радиус и вязкость жидкости можно вычислить число Авогадро.

Выводы теории броуновского движения были подтверждены измерениями Ж. Перрена и Т. Сведберга в 1906 г. На основе этих соотношений были экспериментально определены постоянная Больцмана и постоянная Авогадро. (Постоянная Авогадро обозначается NА, число молекул или атомов в 1 моле вещества, NА=6,022.1023 моль-1; название в честь А. Авогадро.

Постоянная Больцмана, физическая постоянная k , равная отношению универсальной газовой постоянной R к числу Авогадро N A: k = R / N A = 1,3807.10-23 Дж/К. Названа по имени Л. Больцмана.)

При наблюдении броуновского движения фиксируется положение частицы через равные промежутки времени. Чем короче промежутки времени, тем более изломанной будет выглядеть траектория движения частицы.

Закономерности броуновского движения служат наглядным подтверждением фундаментальных положений молекулярно-кинетической теории. Было окончательно установлено, что тепловая форма движения материи обусловлена хаотическим движением атомов или молекул, из которых состоят макроскопические тела.

Теория броуновского движения сыграла важную роль в обосновании статистической механики, на ней основана кинетическая теория коагуляции (перемешивания) водных растворов. Помимо этого, она имеет и практическое значение в метрологии, так как броуновское движение рассматривают как основной фактор, ограничивающий точность измерительных приборов. Например, предел точности показаний зеркального гальванометра определяется дрожанием зеркальца, подобно броуновской частице бомбардируемого молекулами воздуха. Законами броуновского движения определяется случайное движение электронов, вызывающее шумы в электрических цепях. Диэлектрические потери в диэлектриках объясняются случайными движениями молекул-диполей, составляющих диэлектрик. Случайные движения ионов в растворах электролитов увеличивают их электрическое сопротивление.

Траектории броуновских частиц (схема опыта Перрена); точками отмечены положения частиц через одинаковые промежутки времени .

Таким образом, ДИФФУЗИЯ, ИЛИ 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.

II. 2. Диффузия, её виды.

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.

Плотностью потока массы называется масса вещества (dm ), диффундирующего в единицу времени через единичную площадку (dS пл ), перпендикулярную оси x :

(1.1)

Явление диффузии подчиняется закону Фика

(1.2)

где - модуль градиента плотности, который определяет скорость изменения плотности в направлении оси х ;

D - коэффициент диффузии, который рассчитывается из молекулярно-кинетической теории по формуле

(1.3)

где - средняя скорость теплового движения молекул;

Средняя длина свободного пробега молекул.

Минус показывает, что перенос массы происходит в направлении убывания плотности.

Уравнение (1.2) называется уравнением диффузии или законом Фика .

II. 3. Скорость диффузии.

При движении частицы в веществе, она постоянно сталкивается с его молекулами. Это одна из причин, почему в обычных условиях диффузия идёт медленнее обычного движения. От чего же зависит скорость диффузии?

Во-первых, от среднего расстояния между столкновениями частиц, т.е. длины свободного пробега. Чем больше эта длина, тем быстрее частица проникает в вещество.

Во-вторых, на скорость влияет давление. Чем плотнее упаковка частиц в веществе, тем труднее частице-пришельцу проникнуть в такую упаковку.

В-третьих, большую роль оказывает на скорость диффузии молекулярная масса вещества. Чем крупнее мишень, тем вероятнее попадание, а после столкновения скорость всегда замедляется.

И, в-четвёртых, температура. С ростом температуры колебания частиц увеличиваются, растёт скорость молекул. Однако, скорость диффузии в тысячу раз медленнее скорости свободного движения.

Все виды диффузии подчиняются одинаковым законам, описываются посредством коэффициента диффузии D, который является скалярной величиной и определяется из первого закона Фика.

При одномерной диффузии ,

где J - плотность потока атомов или дефектов вещества,
D - коэффициент диффузии,
N - концентрация атомов или дефектов вещества.

Диффузия представляет собой процесс на молекулярном уровне и определяется случайным характером движения отдельных молекул. Скорость диффузии пропорциональна в связи с этим средней скорости молекул. В случае газов средняя скорость малых молекул больше, а именно она обратно пропорциональна квадратному корню из массы молекулы и растёт с повышением температуры. Диффузионные процессы в твёрдых телах при высоких температурах часто находят практическое применение. Например, в определённых типах электронно-лучевых трубок (ЭЛТ) применяется металлический торий, продиффундировавший через металлический вольфрам при 2000 ºC.

Если в смеси газов одна молекула в четыре раза тяжелее другой, то такая молекула передвигается в два раза медленнее по сравнению с её движением в чистом газе. Соответственно, скорость диффузии её также ниже. Эта разница в скорости диффузии лёгких и тяжёлых молекул применяется, чтобы разделять вещества с различными молекулярными весами. В качестве примера можно привести разделение изотопов. Если газ, содержащий два изотопа, пропускать через пористую мембрану, более лёгкие изотопы проникают через мембрану быстрее, чем тяжёлые. Для лучшего разделения процесс производится в несколько этапов. Этот процесс широко применялся для разделения изотопов урана (отделение делящегося под нейтронным облучением 235U от основной массы 238U). Поскольку такой способ разделения требует больших энергетических затрат, были развиты другие, более экономичные способы разделения. Например, широко развито применение термодиффузии в газовой среде. Газ, содержащий смесь изотопов, помещается в камеру, в которой поддерживается пространственный перепад (градиент) температур. При этом тяжёлые изотопы со временем концентрируются в холодной области.

Вывод. На диффузные изменения влияют:

· молекулярная масса вещества (чем выше молекулярная масса, тем меньше скорость);

· среднее расстояние между столкновениями частиц (чем больше длина пробега, тем больше скорость);

· давление (чем больше упаковка частиц, тем труднее её пробить),

· температура (с повышением температуры повышается скорость).

II.4. Диффузия в неживой природе.

Знаете ли вы, что вся наша жизнь построена на странном парадоксе природы? Всем известно, что воздух, которым мы дышим, состоит из газов разной плотности: азота N 2 , кислорода О 2 , углекислого газа СО 2 и незначительного количества других примесей. И эти газы должны быть расположены слоями, соответственно силе тяжести: самый тяжёлый, СО 2 ,- у самой поверхности земли, над ним – О 2 , ещё выше - N 2 . Но этого не происходит. Нас окружает однородная смесь газов. Почему не гаснет пламя? Ведь кислород, окружающий его, быстро выгорает? Тут, как и в первом случае, действует механизм выравнивания. Диффузия препятствует нарушению равновесия в природе!

Почему море солёное? Мы знаем, это реки пробиваются сквозь толщу горных пород, минералов и вымывают соли в море. Как перемешивание соли с водой происходит? Это можно объяснить это с помощью простого опыта:

ОПИСАНИЕ ОПЫТА: В стеклянный сосуд наливаем водный раствор медного купороса. Поверх раствора осторожно наливаем чистую воду. Наблюдаем границу между жидкостями.

Вопрос: Что будет происходить с этими жидкостями с течением времени, и что мы будем наблюдать?

С течением времени граница между соприкасающимися жидкостями начнёт размываться. Сосуд с жидкостями можно поставить в шкаф и изо дня в день наблюдать, как происходит самопроизвольное перемешивание жидкостей. В конце концов, в сосуде образуется однородная жидкость бледно-голубого цвета, почти бесцветная на свету.

Частицы медного купороса тяжелее воды, но благодаря диффузии они медленно поднимаются вверх. Причина в строении жидкости. Частицы жидкости упакованы в компактные группы – псевдоядра. Они отделены друг от друга пустотами – дырами. Ядра не стабильны, их частицы недолго находятся в равновесии. Стоит частице сообщить энергию, как частица отрывается от ядра и проваливается в пустоты. Оттуда она легко перескакивает к другому ядру и т.д.

Молекулы инородного вещества начинают своё путешествие по жидкости с дыр. На пути они сталкиваются с ядрами, выбивают из них частицы, встают на их место. Перебираясь с одного свободного места на другое, они медленно перемешиваются с частицами жидкости. Мы уже знаем, что скорость диффузии мала. Поэтому в обычных условиях данный опыт проходил18 дней, при подогреве – 2-3 минуты.

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

II.5. Диффузия в живой природе.

Процессы диффузии хорошо изучены в настоящее время, установлены их физические и химические закономерности, и они вполне применимы к перемещению молекул в живом организме. Диффузия в живых организмах неразрывно связана с плазматической мембраной клетки. Поэтому необходимо выяснить, как она устроена, и как особенности её строения связаны с транспортом веществ в клетке.

Плазматическая мембрана (плазмалемма, клеточная мембрана), поверхностная, периферическая структура, окружающая протоплазму растительных и животных клеток, служит не только механическим барьером, но, главное, ограничивает свободный двусторонний поток в клетку и из нее низко- и высокомолекулярных веществ. Более того, плазмалемма выступает как структура, «узнающая» различные химические вещества и регулирующая избирательный транспорт этих веществ в клетку

Внешняя поверхность плазматической мембраны покрыта рыхлым волокнистым слоем вещества толщиной 3-4 нм - гликокаликсом. Он состоит из ветвящихся цепей сложных углеводов мембранных интегральных белков, между которыми могут располагаться выделенные клеткой соединения белков с сахарами и белков с жирами. Тут же обнаруживаются некоторые клеточные ферменты, участвующие во внеклеточном расщеплении веществ (внеклеточное пищеварение, например, в эпителии кишечника).

Так как внутренняя часть липидного слоя гидрофобна, он представляет собой практически непроницаемый барьер для большинства полярных молекул. Вследствие наличия этого барьера, предотвращается утечка содержимого клеток, однако из-за этого клетка была вынуждена создать специальные механизмы для транспорта растворимых в воде веществ через мембрану.

Плазматическая мембрана, как и другие липопротеидные мембраны клетки, является полупроницаемой. Максимальной проникающей способностью обладает вода и растворенные в ней газы. Транспорт ионов может проходить по градиенту концентраций, т. е. пассивно, без затрат энергии. В этом случае некоторые мембранные транспортные белки образуют молекулярные комплексы, каналы, через которые ионы проходят сквозь мембрану за счет простой диффузии. В других случаях специальные мембранные белки-переносчики избирательно связываются с тем или иным ионом и переносят его через мембрану. Такой тип переноса называется активным транспортом и осуществляется с помощью белковых ионных насосов. Например, затрачивая 1 молекулу АТФ, система К-Nа насоса откачивает за один цикл из клетки 3 иона Nа и закачивает 2 иона К против градиента концентрации. В сочетании с активным транспортом ионов через плазмалемму проникают различные сахара, нуклеотиды и аминокислоты. Макромолекулы, такие как, например, белки, через мембрану не проходят. Они, а также более крупные частицы вещества транспортируются внутрь клетки посредством эндоцитоза. При эндоцитозе определенный участок плазмалеммы захватывает, обволакивает внеклеточный материал, заключает его в мембранную вакуоль. Эта вакуоль - эндосома - сливается в цитоплазме с первичной лизосомой и происходит переваривание захваченного материала. Эндоцитоз формально разделяют на фагоцитоз (поглощение клеткой крупных частиц) и пиноцитоз (поглощение растворов). Плазматическая мембрана принимает участие и в выведении веществ из клетки с помощью экзоцитоза - процесса, обратного эндоцитозу.

Особенно важна для живых организмов диффузия ионов в водных растворах. Не менее важна роль диффузии в дыхании, фотосинтезе, транспирации растений; в переносе кислорода воздуха через стенки альвеол легких и попадания его в кровь человека и животных. Диффузия молекулярных ионов через мембраны осуществляется с помощью электрического потенциала внутри клетки. Обладая избирательной проницаемостью, мембраны играют роль таможни при перемещении товаров через границу: одни вещества пропускают, другие - задерживают, третьи - вообще «выдворяют» из клетки. Роль мембран в жизни клеток очень велика. Гибнущая клетка теряет контроль над возможностью регулировать концентрацию веществ через мембрану. Первым признаком умирания клетки являются начинающиеся изменения в проницаемости и сбое в работе ее наружной мембраны.

Помимо обычного транспорта - кинетического процесса переноса частиц вещества под действием градиентов электрического или химического потенциала, температуры или давления - в клеточных процессах имеет место и активный транспорт - движение молекул и ионов против градиента концентрации веществ. Такой механизм диффузии назвали осмосом. (Впервые осмос наблюдал А. Нолле в 1748 году, однако исследование этого явления было начато спустя столетие.) Этот процесс осуществляется за счет разного осмотического давления в водном растворе по разные стороны биологической мембраны Вода часто свободно проходит путем осмоса через мембрану, но эта мембрана может быть непроницаема для веществ, растворенных в воде. Любопытно, что вода течет против диффузии этого вещества, но подчиняясь общему закону градиента концентрации (в данном случае воды).

Поэтому вода стремится из более разбавленного раствора, где ее концентрация выше, в более концентрированный раствор вещества, в котором концентрация воды ниже. Не имея возможности непосредственно всасывать и откачивать воду, клетка осуществляет это с помощью осмоса, изменяя концентрацию находящихся в ней растворенных веществ. Осмос выравнивает концентрацию раствора по обе стороны мембраны. От осмотического давления растворов веществ по обе стороны клеточной оболочки и упругости клеточной оболочки зависит напряжённое состояние клеточной оболочки, которое называют тургорным давлением (тургор – от лат. turgere - быть набухшим, наполненным). Обычно упругость оболочек клеток животных (исключая некоторых кишечнополостных) невелика, они лишены высокого тургорного давления и сохраняют целостность только в изотонических растворах или мало отличающихся от изотонических (разница между давлением внутренним и давлением внешним меньше 0,5-1,0 ам). У живых растительных клеток давление внутреннее всегда больше давления внешнего, однако, разрыва клеточной оболочки у них не происходит из-за наличия целлюлозной клеточной стенки. Разница между внутренним и внешним давлениями у растений (например, у растений галофитов – любящих соль, грибов) достигает 50-100 ам. Но даже при этом запас прочности растительной клетки составляет 60-70%. У большинства растений относительное удлинение клеточной оболочки вследствие тургора не превышает 5- 10%, а тургорное давление лежит в пределах 5-10 ам. Благодаря тургору ткани растений обладают упругостью и конструктивной прочностью. (Опыты №3, №4 подтверждают это). Все процессы автолиза (самоуничтожения), увядания и старения сопровождаются падением тургорного давления.

Рассматривая диффузию в живой природе, нельзя не упомянуть о всасывании. Всасывание - процесс поступления различных веществ из окружающей среды через клеточные мембраны в клетки, и через них - во внутреннюю среду организма. У растений это процесс поглощения воды с растворенными в ней веществами корнями, листьями путем осмоса и диффузии; у беспозвоночных - из окружающей среды или полостной жидкости. У примитивных организмов всасывание осуществляется с помощью пино- и фагоцитоза. У позвоночных всасывание может происходить как из полостных органов - легких, матки, мочевого пузыря, так и с поверхности кожи, с раневой поверхности и др. Кожей всасываются летучие газы, пары.

Наибольшее физиологическое значение имеет всасывание в желудочно-кишечном тракте, которое происходит главным образом в тонком кишечнике. Для эффективного переноса веществ особое значение имеет большая площадь поверхности кишечника и постоянно высокий кровоток в слизистой оболочке, за счет которого поддерживается высокий градиент концентраций всасываемых соединений. У человека брыжеечный кровоток во время приема пищи около 400 мл/мин, а в разгар пищеварения - до 750 мл/мин, причем основную долю (до 80%) составляет кровоток в слизистой оболочке пищеварительных органов. Благодаря наличию структур, увеличивающих поверхность слизистой оболочки - круговых складок, ворсинок, микроворсинок, общая площадь всасывающей поверхности кишки человека достигает 200 м 2 .

Вода и растворы солей могут диффундировать по обе стороны кишечной стенки, как в тонком, так и в толстом кишечнике. Всасывание их происходит в основном в верхних отделах тонкого кишечника. Большое значение имеет в тонком кишечнике транспорт ионов Na+, за счет которых в основном создается электрический и осмотический градиенты. Всасывание ионов Na+ происходит как за счет активного, так и пассивного механизмов.

Если бы у клетки не существовало систем регуляции осмотического давления, то концентрация растворенных веществ внутри нее оказалась бы больше их внешних концентраций. Тогда концентрация воды в клетке была бы меньшей, чем ее концентрация снаружи. Вследствие этого, происходил бы постоянный приток воды в клетку и ее разрыв. К счастью, животные клетки и бактерии контролируют осмотическое давление в своих клетках с помощью активного выкачивания неорганических ионов, таких как Na. Поэтому их общая концентрация внутри клетки ниже, чем снаружи. Например, земноводные значительную часть времени проводят в воде, а содержание солей в их крови и лимфе выше, чем в пресных водах. Организмы амфибий через кожные покровы непрерывно всасывают воду. Поэтому они вырабатывают много мочи. Лягушка, например, если ей перевязать клоаку, разбухает, как шар. И, наоборот, если земноводное попадает в солёную морскую воду, оно обезвоживается и погибает очень быстро. Поэтому моря и океаны для амфибий – неодолимая преграда. Клетки растений имеют жесткие стенки, которые предохраняют их от набухания. Многие простейшие избегают разрыва от поступающей внутрь клетки воды с помощью специальных механизмов, которые регулярно выбрасывают поступающую воду.

Таким образом, клетка является открытой термодинамической системой, осуществляя обмен веществом и энергией с окружающей средой, но сохраняющей определенное постоянство внутренней среды. Эти два свойства саморегулирующейся системы - открытость и постоянство - выполняются одновременно, причем за постоянство клетки как раз и отвечает обмен веществ ( метаболизм). Обмен веществ является тем регулятором, который способствует сохранению системы, он обеспечивает целесообразное реагирование на воздействие окружающей среды. Поэтому необходимым условием обмена веществ является раздражимость живой системы на всех уровнях, которая в то же время выступает как фактор системности и целостности системы.

Мембраны могут менять свою проницаемость под воздействием химических и физических факторов, в том числе в результате деполяризации мембраны при прохождении электрического импульса через систему нейронов и воздействия на нее.

Нейрон - это отрезок нервного волокна. Если на одном его конце действует раздражитель, то возникает электрический импульс. Величина его около 0,01 В для мышечных клеток человека, и он распространяется со скоростью порядка 4 м/с. Когда импульс доходит до синапса - соединения нейронов, которое можно рассматривать как своеобразное реле, передающее сигнал от одного нейрона на другой, то электрический импульс преобразуется в химический с помощью выделения нейромедиаторов - специфических веществ-посредников. Когда молекулы такого посредника попадают в щель между нейронами, то нейромедиатор путем диффузии достигает конца щели и возбуждает следующий нейрон.

Однако нейрон реагирует только в том случае, если на его поверхности имеются особые молекулы - рецепторы, которые могут связывать лишь данный медиатор и не реагировать на другой. Это происходит не только на мембране, но и в любом органе, например мышце, вызывая ее сокращение. Сигналы-импульсы через синапсы могут тормозить или усиливать передачу других, и поэтому нейроны исполняют логические функции («и», «или»), что в известной мере и послужило Н. Винеру основанием считать, что вычислительные процессы в мозгу живого организма и в ЭВМ идут принципиально по одной и той же схеме. Тогда информационный подход позволяет единым образом описывать неживую и живую природу.

Сам процесс воздействия сигнала на мембрану заключается в изменении ее высокого электрического сопротивления, так как разность потенциалов на ней тоже порядка 0,01 В. Уменьшение сопротивления приводит к увеличению импульса электрического тока и возбуждение передается дальше в виде нервного импульса, изменяя при этом возможность прохождения через мембрану определенных ионов. Таким образом, информация в организме может передаваться в сочетании, химическим и физическим механизмами, и это обеспечивает надежность и многообразие каналов ее передачи и переработки в живой системе.

С процессами клеточного дыхания, когда в митохондриях клетки образуются молекулы АТФ, обеспечивая ее необходимой энергией, тесно связаны и процессы обычного дыхания живого организма, для которого требуется кислород О2, получаемый в результате фотосинтеза. Механизмы этих процессов также основаны на законах диффузии. По существу, это те материальные и энергетические компоненты, которые необходимы живому организму. Фотосинтез - это процесс запасания солнечной энергии путем образования новых связей в молекулах синтезируемых веществ. Исходными веществами для фотосинтеза являются вода Н 2 О и двуокись углерода СО 2 . Из этих простых неорганических соединений образуются более сложные богатые энергией питательные вещества. В качестве побочного, но очень важного для нас продукта образуется молекулярный кислород О 2 . Примером может служить реакция, которая идет за счет поглощения квантов света и присутствия пигмента хлорофилла, содержащегося в хлоропластах.

В результате получается одна молекула сахара C 6 Н 12 О 6 и шесть молекул кислорода О 2 . Процесс идет по-стадийно, сначала на стадии фотолиза образуются путем расщепления воды водород и кислород, а затем водород, соединяясь с углекислым газом, образует углевод – сахар С 6 Н 12 О 6 . По существу, фотосинтез - преобразование лучистой энергии Солнца в энергию химических связей возникающих органических веществ. Таким образом, фотосинтез, производящий на свету кислород О 2 , является тем биологическим процессом, который обеспечивает живые организмы свободной энергией. Процесс обычного дыхания как процесс обмена веществ в организме, связанный с потреблением кислорода, является обратным процессу фотосинтеза. Оба эти процесса могут идти по следующей цепочке:

Солнечная энергия (фотосинтез)

питательные вещества + (дыхание)

Энергия химических связей.

Конечные продукты дыхания служат исходными веществами для фотосинтеза. Тем самым процессы фотосинтеза и дыхания участвуют в круговороте веществ на Земле. Часть солнечного излучения поглощается растениями и некоторыми организмами, которые, как мы уже знаем, являются автотрофами, т.е. самопитающимися (питание для них - солнечный свет). В результате процесса фотосинтеза автотрофы связывают углекислый газ атмосферы и воду, образуя до 150 млрд. тонн органических веществ, усваивая до 300 млрд. тонн СО 2 , и выделяют около 200 млрд. тонн свободного кислорода О 2 ежегодно.

Полученные органические вещества употребляются в качестве пищи человеком и травоядными животными, которыми, в свою очередь, питаются другие гетеротрофы. Растительные и животные остатки затем разлагаются до простых неорганических веществ, которые снова могут участвовать в виде СО 2 и Н 2 О в фотосинтезе. Часть получающейся энергии, в том числе запасенной в виде ископаемого энергетического топлива, идет на потребление ее живыми организмами, часть бесполезно рассеивается в окружающую среду. Поэтому процесс фотосинтеза благодаря возможности обеспечения им необходимой энергии и кислорода является на определенном этапе развития биосферы Земли катализатором эволюции живого.

Процессы диффузии лежат в основе обмена веществ в клетке, а значит, с их помощью данные процессы осуществляются и на уровне органов. Так осуществляются процессы всасывания в корневых волосках растений, кишечнике животных и человека; газообмен в устьицах растений, лёгких и тканях человека и животных, выделительные процессы.

Строением и изучением клеток биологи занимаются уже более 150 лет, начиная с Шлейдена, Шванна, Пуриме и Вирхова, который в 1855 г. установил механизм роста клеток путем их деления. Было установлено, что каждый организм развивается из одной клетки, которая начинает делиться и в результате этого образуется множество клеток, заметно отличающихся друг от друга. Но поскольку изначально развитие организма началось от деления первой клетки, то на одном из этапов нашего жизненного цикла мы сохраняем сходство с очень отдаленным одноклеточным предком, и можно в шутку сказать, что мы скорее произошли от амебы, чем от обезьяны.

Из клеток формируются органы, и у системы клеток появляются такие качества, которых нет у составляющих ее элементов, т.е. отдельных клеток. Эти отличия обусловлены набором белков, синтезируемых данной клеткой. Бывают клетки мышечные, нервные, кровяные ( эритроциты), эпителиальные и другие в зависимости от своей функциональности. Дифференцировка клеток происходит постепенно в процессе развития организма. В процессе деления клеток, их жизни и гибели в течение всей жизни организма происходит непрерывная замена клеток.

Ни одна молекула в нашем теле не остается неизменной дольше нескольких недель или месяцев. За это время молекулы синтезируются, выполняют свою роль в жизни клетки, разрушаются и заменяются другими, более или менее идентичными молекулами. Самое удивительное, что живые организмы в целом значительно более постоянны, чем составляющие их молекулы, и строение клеток и всего тела, состоящего из этих клеток, остается в этом безостановочном круговороте неизменным, несмотря на замену отдельных компонентов.

Причем это не замена отдельных деталей автомобиля, а, как образно сравнивает С. Роуз, тело с кирпичной постройкой, «из которой сумасшедший каменщик непрерывно ночью и днем вынимает один кирпич за другим и вставляет на их место новые. При этом наружный вид постройки остается прежним, а материал постоянно заменяется». Мы рождаемся с одними нейронами и клетками, а умираем с другими. Примером является сознание, понимание и восприятие ребенка и старого человека. Во всех клетках имеется полная генетическая информация для построения всех белков данного организма. Хранение и передача наследственной информации осуществляются с помощью клеточного ядра.

Вывод: Нельзя преувеличить роль проницаемости плазматической мембраны в жизнедеятельности клетки. Большинство процессов, связанных с обеспечением клетки энергией, получением продуктов и избавлением ее от продуктов распада, основаны на закономерностях диффузии через эту полупроницаемую живую преграду.

Осмос – по сути дела, простая диффузия воды из мест с ее большей концентрацией, в места с меньшей концентрацией воды.

Пассивный транспорт – это перенос веществ из мест с большим значением электрохимического потенциала к местам с его меньшим значением. Перенос малых водорастворимых молекул осуществляется при помощи специальных транспортных белков. Это особые трансмембранные белки, каждый из которых отвечает за транспорт определенных молекул или групп родственных молекул.

Часто бывает необходимым обеспечить перенос через мембрану молекул против их электрохимического градиента. Такой процесс называется активным транспортом и осуществляется белками-переносчиками, деятельность которых требует затрат энергии. Если связать белок-переносчик с источником энергии, можно получить механизм, обеспечивающий активный транспорт веществ через мембрану.

II.6. Применение диффузии.

Человек с древних времён использует явления диффузии. С данным процессом связаны приготовление пищи и обогрев жилища. Мы встречаемся с диффузией при термообработке металлов (сварке, пайке, резке, нанесении покрытий и т.п.); нанесении тонкого слоя металлов на поверхность металлических изделий для повышения химической стойкости, прочности, твёрдости деталей и приборов, или в защитно-декоративных целях (оцинкование, хромирование, никелирование).

Природный горючий газ, которым мы пользуемся дома для приготовления пищи, не имеет ни цвета, ни запаха. Поэтому трудно было бы сразу заметить утечку газа. А при утечке за счёт диффузии газ распространяется по всему помещению. Между тем при определённом соотношении газа с воздухом в закрытом помещении образуется смесь, которая может взорваться, например, от зажженной спички. Газ может вызвать и отравление.

Чтобы сделать поступление газа в помещение заметным, на распределительных станциях горючий газ предварительно смешивают с особыми веществами, обладающими резким неприятным запахом, который легко ощущается человеком даже при весьма малой его концентрации. Такая мера предосторожности позволяет быстро заметить накопление газа в помещении, если образовалась утечка.

В современной промышленности используют вакуумформование, способ изготовления изделий из листовых термопластов. Изделие требуемой конфигурации получают за счет разности давлений, возникающей вследствие разрежения в полости формы, над которой закреплен лист. Применяется, напр., в производстве емкостей, деталей холодильников, корпусов приборов. За счёт диффузии таким путём можно сварить то, что само сварить невозможно (металл со стеклом, стекло и керамику, металлы и керамику, и многое другое).

За счёт диффузии различных изотопов урана через пористые мембраны полечено топливо для ядерных реакторов. Иногда ядерное топливо называют ядерным горючим.

Всасывание (рассасывание) веществ при введении их в подкожную клетчатку, в мышцы или при аппликации на слизистые оболочки глаза, носа, кожу слухового прохода происходит главным образом за счет диффузии. На этом основано применении многих лекарственных веществ, причем всасывание в мышцах происходит быстрее, чем в коже.

Народная мудрость гласит: «коси коса, пока роса». Скажете, причем здесь диффузия и утренний покос? Объяснение очень просто. Во время утренней росы у трав повышенное тургорное давление, открыты устьица, стебли упругие, что облегчает их скашивание (трава, скошенная при закрытых устьицах, хуже сохнет).

В садоводстве, при окулировке и прививке растений на срезах за счёт диффузии образуется каллюс (от лат. Сallus – мозоль) - раневая ткань в виде наплыва в местах повреждений и способствует их заживлению, обеспечивает срастание привоя с подвоем.

Каллюс используют для получения культуры изолированных тканей (эксплантации). Это метод длительного сохранения и выращивания в специальных питательных средах клеток, тканей, небольших органов или их частей, выделенных из организма человека, животных и растений. Основан на методах выращивания культуры микроорганизмов, обеспечивающих асептику, питание, газообмен и удаление продуктов обмена культивируемых объектов. Одно из преимуществ метода тканевых культур - возможность наблюдения за жизнедеятельностью клеток с помощью микроскопа. Для этого растительную ткань выращивают на питательных средах, содержащих ауксины и цитокинины. Каллюс состоит обычно из слабо дифференцированных однородных клеток образовательной ткани, но при изменении условий выращивания, прежде всего содержания фитогормонов в питательной среде, в нем возможно образование флоэмы, ксилемы и других тканей, а также развитие различных органов и целого растения.

II.7. Проектирование отдельных опытов.

Используя научную литературу, я попытался повторить наиболее интересные для меня опыты. Механизм диффузии и результаты этих опытов я изобразил в презентации в виде анимационных моделей.

ОПЫТ 1. Взять две пробирки: одна до половины наполнена водой, другая до половины наполнена песком. Воду вылить в пробирку с песком. Объём смеси воды и песка в пробирке меньше суммы объёмов воды и песка.

ОПЫТ 2. Длинную стеклянную трубку до половины наполнить водой, а затем сверху налить подкрашенный спирт. Общий уровень жидкостей в трубке отметить резиновым кольцом. После перемешивания воды и спирта объём смеси уменьшается.

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

ОПЫТ 3. Ватку, смоченную нашатырным спиртом, приведём в соприкосновение с ваткой, смоченной индикатором фенолфталеином. Наблюдаем окрашивание ваток в малиновый цвет.

Теперь ватку, смоченную нашатырным спиртом, помещают на дно стеклянного сосуда, а смоченную фенолфталеином. Прикрепим к крышке и накроем этой крышкой стеклянный сосуд. Через некоторое время ватка, смоченная фенолфталеином, начинает окрашиваться.

В результате взаимодействия с нашатырным спиртом фенолфталеин окрашивается в малиновый цвет, что мы и наблюдали при соприкосновении ваток. Но почему тогда во втором случае ватка, смоченная фенолфталеином. Также окрашивается, ведь теперь ватки в соприкосновение не приводились? Ответ: непрерывное хаотическое движение частиц веществ.

ОПЫТ 4. Вдоль стенки внутри высокого цилиндрического сосуда опустить узкую полоску фильтровальной бумаги, пропитанной смесью крахмального клейстера с раствором индикатора фенолфталеина. На дно сосуда поместить кристаллы йода. Сосуд плотно закрыть крышкой, к которой подвешена вата, пропитанная раствором аммиака.

За счёт взаимодействия йода с крахмалом по полоске бумаги вверх поднимается сине – фиолетовое окрашивание. Одновременно вниз распространяется малиновая окраска – доказательство движения молекул аммиака. Через несколько минут границы окрашенных участков бумаги встретятся, и далее синий и малиновый цвета смешиваются, то есть происходит диффузия.[ 10]

ОПЫТ 5. (проводят вдвоём) Взять часы с секундной стрелкой, рулетку, флакон туалетной воды и встать в разные углы комнаты. Один засекает время и открывает флакон. Другой отмечает время, когда почувствует запах туалетной воды. Измеряя расстояние между экспериментаторами, находим скорость диффузии. Для точности опыт повторяется 3 – 4 раза, и находится среднее значение скорости. Если расстояние между эксперитентаторами 5 метров, то запах чувствуется через 12 минут. То есть скорость диффузии в данном случае равна 2, 4 м /мин.

ОПЫТ 6. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЯЗКОСТИ ПЛАЗМЫ МЕТОДОМ ПЛАЗМОЛИЗА (по П.А.Генкелю) .

Скорость наступления выпуклого плазмолиза в растительных клетках при их обработке гипертаническим раствором зависит от вязкости цитоплазмы; чем меньше вязкость цитоплазмы, тем скорее вогнутый плазмолиз переходит в выпуклый. Вязкость цитоплазмы зависит от степени дисперсии коллоидных частиц и их гидратации, от содержания воды в клетке, от возраста клеток и других факторов.

Ход работы. Делают тонкий срез эпидермиса с листа алоэ, или сдирают эпидермис с мягких чешуй лука. Изготовленные срезы подкрашивают в часовом стекле в течение 10 минут в растворе нейтрального красного концентрации 1:5000. Затем срезы объекта помещают на предметное стекло в каплю сахарозы слабой концентрации и закрывают одним покровным стеклом. Под микроскопом отмечают состояние плазмолиза. Сначала в клетках отмечается вогнутый плазмолиз. В дальнейшем эта форма или сохраняется, или с той или иной быстротой переходит в выпуклую форму. Важно отметить время перехода вогнутого плазмолиза в выпуклый. Промежуток времени, в течение которого вогнутый плазмолиз переходит в выпуклый, является показателем степени вязкости протоплазмы. Чем больше продолжительность времени перехода к выпуклому плазмолизу, тем больше вязкость плазмы. Плазмолиз в клетках лука начинается быстрее, чем в кожице алоэ. Значит цитоплазма клеток алоэ более вязкая.

ОПЫТ 7. ПЛАЗМОЛИЗ. ДЕПЛАЗМОЛИЗ. ПРОНИКНОВЕНИЕ ВЕЩЕСТВ В ВАКУОЛЬ [ 2]

Некоторые органические вещества довольно быстро проникают в вакуоль. В клетках, при их выдерживании в растворах таких веществ, сравнительно быстро теряется плазмолиз и наступает деплазмолиз.

Деплазмолиз – это восстановление тургора в клетках (т.е. явление, обратное плазмолизу).

Ход работы. Срезы верхнего эпидермиса чешуи окрашенного лука (вогнутая сторона) помещают в каплю I М раствора удобрения для растений мочевины или глицерина прямо на предметном стекле, накрывают покровным стеклом. Через 15-30 минут объекты рассматривают под микроскопом. Хорошо заметны плазмолизированные клетки. Оставляют срезы в капле раствора еще на 30-40 минут. Потом опять рассматривают под микроскопом и наблюдают деплазмолиз - восстановление тургора.

Вывод : растения не могут чётко контролировать количество поступающих и выходящих из клеток химических веществ.

III. Заключение.

Закономерностям диффузии подчиняются процессы физико-химических перемещений элементов в земных недрах и во Вселенной, а также процессы жизнедеятельности клеток и тканей живых организмов. Диффузия играет важную роль в различных областях науки и техники, в процессах, происходящих в живой и неживой природе. Диффузия оказывает влияние на протекание многих химических реакций, а также многих физико-химических процессов и явлений: мембранных, испарения, конденсации, кристаллизации, растворения, набухания, горения, каталитических, хроматографических, люминесцентных, электрических и оптических в полупроводниках, замедления нейтронов в ядерных реакторах и т.д. Диффузия большое значение имеет при образовании на границах фаз двойного электрического слоя, диффузиофорезе и электрофорезе, в фотографических процессах для быстрого получения изображения и др. Диффузия служит основой многих распространённых технических операций: спекания порошков, химико-термической обработки металлов, металлизации и сварки материалов, дубления кожи и меха, крашения волокон, перемещения газов с помощью диффузионных насосов. Роль диффузии существенно возросла в связи с необходимостью создания материалов с заранее заданными свойствами для развивающихся областей техники (ядерной энергетики, космонавтики, радиационных и плазмохимических процессов и т.п.). Знание законов, управляющих диффузией, позволяет предупреждать нежелательные изменения в изделиях, происходящие под влиянием высоких нагрузок и температур, облучения и могое-многое другое…

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

В своей работе я обобщил собранный по теме реферата материал и подготовил для его защиты презентацию, сделанную в редакторе Power Point. Данная презентация, на мой взгляд, сможет разнообразить материал урока по данной теме. Некоторые описанные в литературе опыты были повторены и немного видоизменены мной. Наиболее интересные примеры диффузии представлены на слайдах презентации в анимационных моделях.

IV. Используемая литература:

1. Антонов В. Ф., Черныш А. М., Пасечник В. И., и др. Биофизика.

М., Арктос-Вика-пресс, 1996

2. Афанасьев Ю.И., Юрина Н.А., Котовский Е.Ф. и др. Гистология.

М. Медицина, 1999.

3. Албертс Б., Брэй Д., Льюис Дж. и др. Молекулярная биология клетки.

В 3-х томах. Том 1. М., Мир, 1994.

4. Большая энциклопедия Кирилла и Мефодия 2006

5. Варикаш В.М. и др. Физика в живой природе. Минск,1984.

6. Демьянков Е.Н. Задачи по биологии. М. Владос, 2004.

7. Николаев Н.И. Диффузия в мембранах. М. Химия, 1980, с.76

8. Перышкин А.В. Физика. 7. М. Дрофа, 2004.

9. Физический энциклопедический словарь, М., 1983, с. 174-175, 652, 754

10. Шабловский В. Занимательная физика. С-Петербург, «тригон» 1997, с.416

11. xttp//bio. 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 атомном уровне | Термодинамические явления | Явления переноса | Диффузия