Що таке дифузія у фізиці диф. Тема: «Дифузія в живій та неживій природі. Дифундування газів у металах

ДИФУЗІЯ -і; ж. [від лат. diffusio – поширення, розтікання] 1. Фіз. Взаємне проникнення дотичних речовин одна в одну внаслідок теплового переміщення частинок речовини. Д. газів. Д. рідин. 2. Взаємопроникнення, взаємообмін чим-л. Тлумачний словник Кузнєцова

дифузія - дифузія ж. 1. Взаємне проникнення дотичних речовин одна в одну внаслідок теплового руху молекул та атомів. 2. Взаємопроникнення, взаємообмін чимось. Тлумачний словник Єфремової

Дифузія - (лат. diffusio розповсюдження, розтікання) процес мимовільного взаємопроникнення дотичних речовин за рахунок теплового руху частинок; є одним з основних процесів, що забезпечують переміщення речовин у клітинах та тканинах. Медична енциклопедія

Дифузія - I Дифузія (від латів. diffusio - розповсюдження, розтікання) взаємне проникнення дотичних речовин одна в одну внаслідок теплового руху частинок речовини. Велика радянська енциклопедія

Дифузія - Культурна взаємне проникнення культурних рис і комплексів з одного суспільства до іншого при їх зіткненні. Словник з культурології

Дифузія - (від лат. diffusio - поширення, розтікання, розсіювання * a. diffusion; н. Diffusion; ф. diffusion; і. difusion) - перенесення речовини, зумовлене вирівнюванням його концентрації в спочатку неоднорідній системі. Д. - одна з стадій багаточисельних. Гірська енциклопедія

Дифузія - Д. називається часткове поширення тіл один в одного, результатом чого є повна однорідність системи, на початку різнорідної. Д. відбувається в рідинах, газах та твердих тілах. Енциклопедичний словник Брокгауза та Єфрона

дифузія - 1) проникнення молекул однієї речовини (газу, рідини, твердого тіла) в інше при їхньому безпосередньому зіткненні або через пористу перегородку. Мікробіологія. Словник термінів

ДИФУЗІЯ - ДИФУЗІЯ (від латів. diffusio - розповсюдження, розтікання, розсіювання) - рух частинок середовища, що призводить до перенесення речовини і вирівнювання концентрацій або встановлення рівноважного розподілу концентрацій частинок даного сорту в середовищі. Великий енциклопедичний словник

дифузія - ДИФФУЗІЯ, див. дифузія. Тлумачний словник Ушакова

дифузія - сут., кількість синонімів: 9 бародифузія 1 проникнення 32 п'єзодіфузія 1 поширення 37 розсіювання 29 розтікання 5 самодифузія 1 термодифузія 2 електродифузія 1 Словник синонімів російської мови

ДИФУЗІЯ - ДИФУЗІЯ - англ. diffusion; ньому. Diffusion. 1. Поширення та прийняття певних об'єктів (інновацій, інформації, елементів культури) у соц. системі. 2. Запозичення, засвоєння елементів іншої культури. Соціологічний словник

дифузія - -і ж. фіз. Взаємне проникнення дотичних речовин одна в одну внаслідок теплового переміщення частинок речовини. Дифузія газів. Дифузія рідин. [Від лат. diffusio - поширення, розтікання] Малий академічний словник

дифузія - дифузія, дифузія, дифузія, дифузія, дифузія, дифузія, дифузія, дифузія, дифузія, дифузія, дифузія, дифузія, дифузія Граматичний словник Залізняка

ДИФУЗІЯ - ДИФУЗІЯ, переміщення речовини в суміші з області з високою концентрацією в області з низькою концентрацією, викликане випадковим переміщенням окремих атомів або молекул. Дифузія припиняється коли зникає градієнт концентрації. Науково-технічний словник

дифузія - Дифузія, ж. [Латин. diffusio] (фіз.). Взаємне проникнення одне одного разнородных тіл, наведених у зіткнення. Дифузії рідин. Великий словник іноземних слів

дифузія - ДИФУЗІЯ, і, ж. (Спец.). Взаємне проникнення частинок однієї речовини в іншу у разі їх дотику. Д. газів. | дод. дифузійний, ая, ое. Тлумачний словник Ожегова

Дифузія перекладається з латині, як поширення чи взаємодія. Дифузія є важливим поняттям фізики. Суть дифузії полягає у проникненні одних молекул речовини до інших. У процесі перемішування відбувається вирівнювання концентрацій обох речовин за об'ємом. Речовина з місця з більшою концентрацією переходить у місце з меншою концентрацією, за рахунок цього відбувається вирівнювання концентрацій. Розглянувши, що таке дифузія, слід перейти до умов, які можуть впливати на швидкість перебігу цього явища.

Чинники, що впливають на дифузію

Щоб зрозуміти, від чого залежить дифузія, розглянемо фактори, які впливають на неї.

Дифузія залежить від температури. Швидкість дифузії збільшуватиметься зі збільшенням температури, тому що при підвищенні температури збільшуватиметься швидкість руху молекул, тобто молекули швидше перемішуватимуться. Агрегатний стан речовини також впливатиме на те, від чого залежить дифузія, а саме на швидкість дифузії. Теплова дифузія залежить від виду молекул. Наприклад, якщо предмет металевий, то теплова дифузія протікає швидше, на відміну від того, якби цей предмет був зроблений із синтетичного матеріалу. Дуже повільно протікає дифузія між твердими матеріалами. Дифузія має величезне значення у природі та в житті людини.

Приклади дифузії

Щоб краще розібратися, що таке дифузія, розглянемо на прикладах. Молекули речовин, незалежно від своїх агрегатного стану завжди перебувають у русі. Отже, дифузія відбувається у газах, може відбуватися у рідинах, а також у твердих тілах. Дифузією є перемішування газів. У найпростішому випадку це поширення запахів. Якщо у воду помістити який-небудь барвник, то згодом рідина поступово забарвиться. Якщо два метали стикаються, то межі зіткнення відбувається перемішування їх молекул.

Отже, дифузією є перемішування молекул речовини за її безладному тепловому русі.

Всі зазначені види дифузії описуються одними і тими самими феноменологіч. співвідношенням.
Основні поняття. Головною характеристикоюдифузії служить щільність дифузійного потоку J - у в-ва, що переноситься в одиницю часу через одиницю площі пов-сті, перпендикулярної напрямку переносу. Якщо середовищі, де відсутні градієнти т-ры, тиску , электрич. потенціалу та ін., є градієнт концентрації з (х, t), що характеризує її зміну на одиницю довжини в напрямку х (одномірний випадок) в момент часу t, то в ізотропному середовищі

J = - D(дс/дх), (1)

де D - коефіцієнт дифузії (м2/с); знак "мінус" вказує на напрямок потоку від великих концентрацій до менших. Просторово-часовий розподіл концентрації:

Ур-ня (1) та (2) зв. першим та другим законами Фіка. Тривимірна дифузія [з (х, у, z; t)] описується ур-нями:

J = - D grad c (3)

де J – вектор щільності дифузійного потоку, grad – градієнт поля концентрації . Перенесення частинок у середовищі здійснюється як послідовність їх випадкових переміщень, причому абс. величина та напрямок кожного з них не залежать від попередніх. Дифузійний рух у середовищі кожної частки зазвичай характеризують середньоквадратичним зміщенням L 2 від вихідного за час t. Для тривимірного просторусправедливе перше співвідношення Ейнштейна: L2 = GDt. Т. обр. параметр D характеризує ефективність впливу середовища на частинки. У разі дифузії в багатокомпонентних сумішах без градієнтів тиску і т-ри (ізобарно-ізотерміч. дифузія) для спрощення опису взаємного проникнення компонентів за наявності градієнтів їх концентрацій вводять т. зв. коефіцієнти взаємної дифузії Напр., при одномірній дифузії в двокомпонентної системивираз для дифузійного потоку одного з компонентів набуває вигляду:

де c 1 + с 2 = const, D 12 = D 21 - Коеф. взаємної дифузії обох компонентів. В результаті нерівномірного нагрівання середовища під впливом градієнта т-ри відбувається перенесення компонентів газових або рідких сумішей – термодифузія (у розчинах – ефект Соре). Якщо між окремими частинамисистеми підтримується постійна різницю т-р, то внаслідок термодифузії обсягом суміші з'являються градієнти концентрації компонентів, що ініціює звичайну дифузію. Остання у стаціонарному стані (за відсутності потоку в-ва) врівноважує термодифузію, і в системі виникає різниця концентрацій компонентів. Цей вплив є основою одного з методів поділу ізотопів, а також термодифузійного поділу нафтових фракцій. При внеш. вплив на систему градієнта тиску або гравітації. поля виникає бародифузія. Приклади: дифузійне осадження дрібних зважених частинок при зіткненні їх з молекулами газу (див. Пиловловлення); баромембранні процеси - зворотний осмос, мікро-і ультрафільтрація (див. Мембранні процеси поділу, Осмос). Дія на систему зовніш. електрич. поля викликає спрямоване перенесення заряджених частинок - електродифузію. Приклади: електромембранні процеси, напр., електродіаліз - поділ під дією електрич. струму іонізованих з'єдн. внаслідок обирають. перенесення іонів через іонообмінні мембрани; дифузія носіїв заряду – переміщення електронів провідності та дірок, обумовлене неоднорідностями їх концентрації у напівпровідниках. Математично закони Фіка аналогічні ур-ня теплопровідності Фур'є. В основі такої аналогії лежать загальні закономірності незворотних процесівперерозподілу інтенсивних параметрів стану (концентрації, т-ри, тиску та ін) між разл. частинами к.-л. системи при прагненні її до термодинаміч. рівноваги. При мінімальних відхиленнях системи від нього ці закономірності описуються лінійними співвідношеннями між потоками фіз. величин і термодинамічні. силами, тобто градієнтами параметрів, що викликають зазначені відхилення. Зокрема, дифузійний потік частинок даного типу, крім градієнтів концентрацій частинок кожного типу, може за відповідних умов більшою мірою визначатися градієнтами ін. інтенсивних параметрів і зовніш. силами. В загальному виглядізв'язок між потоками та силами описується феноменологіч. ур-нями термодинаміки незворотних процесів. Напр., у разі електронейтральної бінарної газової системи за наявності градієнта т-ри дТ/дх, градієнта тиску др/дх та градієнта електрич. потенціалу д j /дx вираз для дифузійного потоку частинок з зарядом q i в одномірному випадку набуває вигляду:

де с - загальна кількість частинок суміші в одиниці об'єму; n i = c i /c -відносить. частка частинок i-го компонента (i = 1, 2); D p , D T - Коеф. баро- та термодифузії; m i = q i D/kТ (співвідношення Нернста - Ейнштейна) - рухливість частинок 1-го компонента електрич. поле; k-постійна Больцмана; T – абс. т-ра. Напр., в бінарній газовій суміші при постійному тиску та відсутності зовніш. сил повний дифузійний потік

За відсутності потоку (J = 0) розподіл концентрацій знаходять за ф-ле:

де T = D T / D 12 . Коеф. D T означає. ступеня залежить від міжмолекулярного взаємодії, тому його вивчення дозволяє досліджувати міжмолекулярні сили в разл. середовищах. Поруч із дифузійним перенесенням частинок сторонніх в-в (домішок), нерівномірно розподілених в к.-л. Середовище відбувається самодифузія - випадкове переміщення частинок самого середовища, хім. склад якої при цьому не змінюється. Даний процес, що спостерігається навіть у відсутності в системі термодинаміч. сил, описується ур-ниями Фіка, в яких брало D замінений параметром D c , званим коеф. самодифузії. Ефекти самодифузії можуть призводити до зрощування двох пришліфованих зразків одного і того ж в-ва, спікання порошків при пропусканні через них електро. струму, до розтягування тіл під дією підвішеного до них вантажу (дифузійна повзучість матеріалів) тощо. При взаємної дифузії в твердих тілах потік атомів одного сорту може перевершувати потік атомів ін. сорту, що йде в зворотному напрямку, якщо для нескомпенсир. вакансій (а можливо, і для нескомпенс. атомів) є стоки. При цьому в кристалі виникають пори, що призводять до порушення стійкості кристалів. грати як хутро. системи та, внаслідок цього, до зміщення кристалліч. площин як цілого (ефект Кіркіндаля). Зокрема, при взаємній дифузії у бінарних металличах. системах спостерігається переміщення "інертних" міток, напр., тонких тугоплавких зволікань з Мо або W діаметром дек. мкм, внесених у зону дифузії. Швидкість дифузійного масопереносу в разл. в-вах або матеріалах іноді зручно характеризувати константою їхньої проникності П = D g , де g - Константа Генрі, що визначає рівноважну р-римість компонента, що переноситься. Зокрема, вираз для стаціонарного потоку молекул газу , що дифундують через поділ. перегородку (мембрану) завтовшки d має вигляд: J = П gD р/ d , де D р - різниця парціальних тисків компонентів газової суміші, що розділяються, по обидва боки перегородки. Коеф. дифузії значно різняться для дифузійних процесів у газових і конденсованих (рідких і жорстких) середовищах: наиб. швидко перенесення частинок відбувається в газах (D порядку 10 - 4 м 2 /с при нормальних т-рі та тиску), повільніше - у рідинах (порядку 10 - 9), ще повільніше – у твердих тілах (порядку 10 - 12). Проілюструємо зазначені висновки на прикладах молекулярної дифузії.
Дифузія у газових середовищах.Для оцінки D як характерне (середнє) зміщення частинок приймають довжину своб. пробігу молекул l = u t де і і t - середні швидкість руху частинок та час між їх зіткненнями. Відповідно до першого співвідношення Ейнштейна D ~ l 2 t -1 ; точніше D = 1/3 lu. Коеф. дифузії обернено пропорційний тиску р газу, оскільки l ~ 1/р; з підвищенням т-ри Т (При постійному обсязі) D зростає пропорційно T 1/2 т. к. ; зі збільшенням мол. маси газу D знижується. Відповідно до кінетич. теорії газів, коеф. взаємної дифузії газів А та В у бінарній суміші (табл. 1)

де р - повний тиск у системі, т A і т B - маси газів, s A і s B – параметри потенціалу Леннард-Джонса (див., напр., Абсорбція).


Великий практичний. інтерес представляє перенесення газів через наскрізні пори у твердих тілах. При відносно малих тисках газу або розмірах пір (r 0), коли частота зіткнень молекул газу зі стінками пір перевищує частоту взаємних зіткнень молекул , тобто середня довжина їх вільн. пробігу l >> r 0 (для нормального тиску при r 0< 10 - 7 м), спостерігається т. зв. кнудсенівська дифузія. При цьому газовий потік через пористу перегородку пропорційний до середньої швидкості молекул і константа газопроникності визначається з ур-ня:

де N s – поверхнева щільність пір у перегородці. Оскільки Середня швидкістьмолекул обернено пропорційна квадратного кореняз їх мас , компоненти газової суміші, що розділяється, проникають через пори мембрани з разл. швидкостями; в результаті суміш, що пройшла через перегородку, збагачується більш легкими компонентами. Зі збільшенням тиску газу в таких пористих системах зростає поверхнева концентрація молекул адсорбованих на стінках пір. Адсорбц, що утворився. шар може виявитися рухомим і переміщатися вздовж пов-сти пори, внаслідок чого паралельно з об'ємним дифузійним перенесенням у ній можлива поверхнева дифузія газу. Остання надає іноді істот. вплив на кінетику хім. перетворень, зумовлюючи нерівноважний розподіл у системі взаємод. реагентів.
Дифузія у конденсованих середовищах.У рідинах та твердих тілах дифузія здійснюється перескоками частинок з одного стійкого положення до іншого, відстань між ними має порядок міжмолекулярного. Для таких перескоків необхідні локальна перебудова ближнього оточення кожної частки (імовірність перебудови характеризується ентропією активації D S) і випадкове накопичення в цій області деякого кол-ва теплової енергії E D (енергія активації дифузії). Після перескоку кожна частка виявляється в новому енергетично вигідному положенні, а енергія, що виділяється, розсіюється в середовищі. У цьому D = D 0 exp(- E D /RT), де D 0 = n exp (D S/R) - ентропійний фактор, що залежить від частоти "теплових ударів" молекул середовища ( n ~ 10 12 с - 1), R - газова постійна. Дифузійний рух частинок рідини визначається її в'язкісними св-вами, розмірами частинок і характеризується їх т. зв. рухливістю( ~ D/kT звідки D ~ ( kT (друге співвідношення Ейнштейна). Параметр(- Коеф. пропорційності між швидкістю частинки та рушійною силою F при стаціонарному русі з тертям (і =(F). Напр., у разі сферично симетричних частинок радіусом р. для яких брало(= 1/6 p r h (T), справедливо ур-ня Стокса-Ейнштейна: D = kT/6 p r h (T), де h (T) – коеф. динаміч. в'язкості середовища у функції від т-ри. Підвищення D зі збільшенням т-ри в рідинах пояснюється зменшенням щільності упаковки їх молекул (розпушенням структури) при нагр. як наслідок, зростанням числа перескоків частинок в одиницю часу. Коеф. дифузії різних в-ву рідинах наведені у табл. 2 та 3; характерні значення E D ~ 20-40 кДж/моль.

Коеф. дифузії у твердих орг. тілах мають значить. розкид, досягаючи у ряді випадків значень, які можна порівняти з відповідними параметрами в рідинах . наиб. інтерес представляє дифузія газів у полімерах. Коеф. дифузії в них (табл. 4) залежать від розмірів дифундують молекул, особливостей взаємодій. їх із фрагментами макромолекул , рухливості полімерних ланцюгів, своб. обсягу полімеру (різниця між реальним обсягом та сумарним обсягом щільно упакованих молекул) та неоднорідністю його структури.


Високі значення D при т-рах вище т-ри скловання полімерів обумовлені великою рухливістю даних умовах фрагментів макромолекул , що призводить до перерозподілу своб. обсягу та соотв. до зростання D S і зменшення E D . При т-рах нижче т-ри скловання коеф. дифузії мають, як правило, менші значення. При дифузії в полімерах рідин значення D можуть залежати від концентрації розчинених компонентів внаслідок їхньої пластифікуючої дії. Коеф. дифузії іонів в іонообмінних смолах означає. ступеня визначаються їх вмістом вологи (середнє число п молекул води , що припадає на одну іоногенну групу). При високому вмісті вологи (п > 15) коеф. дифузії можна порівняти з відповідними D для іонів в електролітах (див. табл. 5 і 3). При п< 10 коэф. диффузии экспоненциально снижаются с уменьшением п.


У жорстких неорг. тілах, де частка свобод. обсягу та амплітуди коливань атомів кристалліч. решітки незначні, дифузія обумовлена ​​наявністю порушень у їх структурі (див. Дефекти в кристалах), що виникають при виготовленні, нагріванні, деформаціях та ін впливах. У цьому м. б. реалізовані дек. механізмів дифузії: обмін місцями атомів та обмін місцями двох сусідніх атомів, одночасне цикліч. переміщення дек.

Дифузія

Прикладом дифузії може бути перемішування газів (наприклад, поширення запахів) чи рідин (якщо у воду капнути чорнило, то рідина через деякий час стане рівномірно забарвленою). Інший приклад пов'язаний з твердим тілом: атоми металів, що стикаються, перемішуються на межі зіткнення. Важливу роль дифузія часток грає у фізиці плазми.

Зазвичай під дифузією розуміють процеси, що супроводжуються перенесенням матерії, проте іноді дифузійними називають також інші процеси перенесення: теплопровідність, в'язке тертя тощо.

Швидкість перебігу дифузії залежить від багатьох факторів. Так, у разі металевого стрижня теплова дифузія відбувається дуже швидко. Якщо ж стрижень виготовлений із синтетичного матеріалу, теплова дифузія протікає повільно. Дифузія молекул у випадку протікає ще повільніше. Наприклад, якщо шматочок цукру опустити на дно склянки з водою і воду не перемішувати, пройде кілька тижнів, перш ніж розчин стане однорідним. Ще повільніше відбувається дифузія одного твердої речовинив інше. Наприклад, якщо мідь покрити золотом, то відбуватиметься дифузія золота в мідь, але за нормальних умов (кімнатна температура і атмосферний тиск) золотовмісний шар досягне товщини в кілька мікронів лише через кілька тисяч років.

Кількісно опис процесів дифузії було дано німецьким фізіологом А. Фіком ( англ.) у 1855 р.

Загальний опис

Усі види дифузії підпорядковуються однаковим законам. Швидкість дифузії пропорційна площі поперечного перерізу зразка, і навіть різниці концентрацій , температур чи зарядів (у разі щодо невеликих величин цих параметрів). Так, тепло вчетверо швидше поширюватиметься через стрижень діаметром у два сантиметри, ніж через стрижень діаметром в один сантиметр. Це тепло поширюватиметься швидше, якщо перепад температур на одному сантиметрі буде 10 °C замість 5 °C. Швидкість дифузії пропорційна також параметра, що характеризує конкретний матеріал. У разі теплової дифузії цей параметр називається теплопровідність, у разі потоку електричних зарядів – електропровідність. Кількість речовини, що дифундує протягом певного часу, та відстань, що проходить дифузною речовиною, пропорційні квадратному кореню часу дифузії.

Дифузія є процес на молекулярному рівні і визначається випадковим характером руху окремих молекул. Швидкість дифузії у зв'язку з цим пропорційна до середньої швидкості молекул. У разі газів середня швидкість малих молекул більша, а саме вона обернено пропорційна квадратному кореню з маси молекули і зростає з підвищенням температури. Дифузійні процеси в твердих тілахпри високих температурахчасто знаходять практичне застосування. Наприклад, у певних типах електронно-променевих трубок (ЕЛТ) застосовується металевий торій, що продифундував через металевий вольфрам при 2000 °C.

Якщо в суміші газів маса однієї молекули вчетверо більша за іншу, то така молекула пересувається вдвічі повільніше порівняно з її рухом у чистому газі. Відповідно, швидкість дифузії її також нижча. Ця різниця у швидкості дифузії легких та важких молекул застосовується, щоб розділяти субстанції з різними молекулярними вагами. Як приклад можна навести поділ ізотопів. Якщо газ, що містить два ізотопи, пропускати через пористу мембрану, легші ізотопи проникають через мембрану швидше, ніж важкі. Для кращого поділу процес проводиться у кілька етапів. Цей процес широко застосовувався для поділу ізотопів урану (відділення 235 від основної маси 238 U). Оскільки такий спосіб поділу вимагає великих енергетичних витрат, були розвинені інші, економічніші способи поділу. Наприклад, широко розвинене застосування термодифузії в газовому середовищі. Газ, що містить суміш ізотопів, міститься в камеру, в якій підтримується просторовий перепад (градієнт) температур. При цьому важкі ізотопи з часом концентруються у холодній ділянці.

Рівняння Фіка

З погляду термодинаміки рушійним потенціалом будь-якого процесу, що вирівнює, є зростання ентропії. При постійних тиску та температурі в ролі такого потенціалу виступає хімічний потенціал. µ , що зумовлює підтримання потоків речовини. Потік частинок речовини при цьому пропорційний градієнту потенціалу

~

У більшості практичних випадків замість хімічного потенціалу застосовується концентрація C. Пряма заміна µ на Cстає некоректною у разі великих концентрацій, тому що хімічний потенціал перестає бути пов'язаний із концентрацією за логарифмічним законом. Якщо не розглядати такі випадки, то наведену вище формулу можна замінити на наступну:

яка показує, що щільність потоку речовини Jпропорційна коефіцієнту дифузії D[()] та градієнту концентрації. Це рівняння висловлює перший закон Фіка. Другий закон Фіка пов'язує просторову та тимчасову зміни концентрації (рівняння дифузії):

Коефіцієнт дифузії Dзалежить від температури. У ряді випадків у широкому інтервалі температур ця залежність є рівнянням Арреніуса.

Додаткове поле, накладене паралельно градієнту хімічного потенціалу, порушує стаціонарний стан. І тут дифузійні процеси описуються нелінійним рівнянням Фоккера-Планка . Процеси дифузії мають велике значенняв природі:

• Живлення, дихання тварин та рослин;
• Проникнення кисню із крові у тканини людини.

Геометричний опис рівняння Фіка

У другому рівнянні Фіка в лівій частині стоїть швидкість зміни концентрації в часі, а в правій частині рівняння - друга приватна похідна, яка виражає просторовий розподіл концентрації, зокрема опуклість функції розподілу температур, що проектується на вісь х.

Див. також

• Поверхнева дифузія - процес, пов'язаний з переміщенням частинок, що відбувається на поверхні конденсованого тіла в межах першого поверхневого шару атомів (молекул) або поверх шару.

Примітки

Література

• Бокштейн Б. З.Атоми блукають кристалом. – М.: Наука, 1984. – 208 с. - (Бібліотечка «Квант». Вип. 28). – 150 000 прим.

Посилання

• Дифузія (відеоурок, програма 7 класу)
• Дифузія домішкових атомів на поверхні монокристалу

Wikimedia Foundation. 2010 .

Синоніми:

Дивитися що таке "Дифузія" в інших словниках:

- [Лат. diffusio поширення, розтікання] фіз., хім. проникнення молекул однієї речовини (газу, рідини, твердого тіла) в інше при їх безпосередньому зіткненні або через пористу перегородку. Словник іншомовних слів. Комлєв Н.Г., … … Словник іноземних слів російської мови

Дифузія- – проникнення в середу частинок однієї речовини частинок іншої речовини, що відбувається внаслідок теплового руху у напрямку зменшення концентрації іншої речовини. [Блюм Е. Е. Словник основних металознавчих термінів. Єкатеринбург … Енциклопедія термінів, визначень та пояснень будівельних матеріалів

Сучасна енциклопедія

- (від лат. diffusio поширення розтікання, розсіювання), рух частинок середовища, що призводить до перенесення речовини і вирівнювання концентрацій або встановлення рівноважного розподілу концентрацій частинок даного сорту в середовищі. У відсутності… … Великий Енциклопедичний словник

ДИФУЗІЯ, переміщення речовини в суміші з з високою концентрацією області з низькою концентрацією, викликане випадковим переміщенням окремих атомів або молекул. Дифузія припиняється коли зникає градієнт концентрації. Швидкість… Науково-технічний енциклопедичний словник

дифузія- І, ж. diffusion f. нім. Diffusion лат. diffusio розтікання, розповсюдження. Взаємне проникнення дотичних речовин одна в одну внаслідок теплового руху молекул та атомів. Дифузія газів, рідин. БАС 2. | перекл. Вони… … Історичний словникгалицизмів російської мови

Дифузія- (від латинського diffusio розповсюдження, розтікання, розсіювання), рух частинок середовища, що призводить до перенесення речовини та вирівнювання концентрацій або встановлення їх рівноважного розподілу. Зазвичай дифузія визначається тепловим рухом. Ілюстрований енциклопедичний словник

Переміщення частинок у напрямі зменшення їх концентрації, обумовлене тепловим рухом. Д. призводить до вирівнювання концентрацій дифузної речовини та рівномірного заповнення частинками об'єму. Геологічна енциклопедія

МОУ Заозерна ЗОШ із поглибленим вивченням окремих предметів №16

Тема: «Дифузія живою і неживої природи».

Виконав:

учень 8 А класу Зябрьов Кирило.

Вчитель фізики: Зав'ялова Г.М.

Вчитель біології: Зябрева В.Ф.

Томськ – 2008

I. Вступ. ………………………………………………………… 3

ІІ. Дифузія у живій та неживій природі.

1. Історія відкриття явища. …………………………………. 4

2. Дифузія, її види. ………………………………………….. 6

3. Від чого залежить швидкість дифузії? ……………………….. 7

4. Дифузія у неживій природі. ……………………………... 8

5. Дифузія у живій природі. ………………………………… 9

6. Використання явищ дифузії. …………………………. 16

7. Проектування окремих явищ дифузії. …………… 17

ІІІ. Висновок. …………………………………………………... 20

IV. Використовувана література. …………………………………. . 21

I. Вступ.

Як багато дивовижного та цікавого відбувається навколо нас. Світлять на нічному небі далекі зірки, горить у вікні свічка, вітер розносить аромат квітучої черемхи, тебе проводить поглядом бабуся, що старіє. Багато що хочеться дізнатися, спробувати пояснити самостійно. Адже багато хто природні явищапов'язані з процесами дифузії, про яку ми говорили нещодавно у школі. Але ж говорили так мало!

Цілі роботи :

1. Розширити та поглибити знання про дифузію.

2. Змоделювати окремі дифузійні процеси.

3. Створити додатковий матеріал у комп'ютерному виконанні для використання під час уроків фізики та біології.

Завдання:

1. Знайти необхідний матеріал у літературі, Інтернет-мережі, вивчити та проаналізувати його.

2. З'ясувати, де у живій та неживій природі (фізиці та біології) зустрічаються явища дифузії, яке значення вони мають, де застосовуються людиною.

3. Описати та спроектувати найбільш цікаві дослідиза цим явищем.

4. Створити анімаційні моделі деяких дифузійних процесів.

Методи: аналіз та синтез літератури, проектування, моделювання.

Моя робота складається із трьох частин; основна частина – з 7 розділів. Мною були вивчені та оброблені матеріали 13 літературних джерел, серед яких навчальна, довідкова, наукова література та Інтернет-сайти, а також підготовлено презентацію, зроблену в редакторі Power Point.

ІІ. Дифузія у живій та неживій природі.

II .1. Історія відкриття явища дифузії.

При спостереженні в мікроскопі суспензії квіткового пилку у воді Роберт Броун спостерігав хаотичний рух частинок, що виникає «не від руху рідини і не від її випаровування». Видимі лише під мікроскопом зважені частинки розміром 1 мкм і менше робили невпорядковані незалежні рухи, описуючи складні зигзагоподібні траєкторії. Броунівський рух не слабшає з часом і не залежить від хімічних властивостейсередовища; його інтенсивність збільшується зі зростанням температури середовища та зі зменшенням її в'язкості та розмірів частинок. Навіть якісно пояснити причини броунівського руху вдалося лише через 50 років, коли причину броунівського руху стали пов'язувати з ударами молекул рідини поверхню зваженої в ній частинки.

Перша кількісна теорія броунівського руху була дана А. Ейнштейном та М. Смолуховським у 1905-06 р.р. на основі молекулярно-кінетичної теорії. Було показано, що випадкові блукання броунівських частинокпов'язані з їх участю в тепловому русі нарівні з молекулами того середовища, в якому вони зважені. Частинки мають в середньому таку ж кінетичну енергію, але через більшу масу мають меншу швидкість. Теорія броунівського руху пояснює випадкові рухи частки дією випадкових сил з боку молекул та сил тертя. Відповідно до цієї теорії, молекули рідини або газу знаходяться в постійному тепловому русі, причому імпульси різних молекул не однакові за величиною та напрямом. Якщо поверхня частинки, поміщеної в таке середовище, мала, як це має місце для броунівської частинки, то удари, що зазнають частинкою з боку навколишніх молекул, не будуть точно компенсуватися. Тому в результаті «бомбардування» молекулами броунівська частка приходить у безладний рух, змінюючи величину та напрямок своєї швидкості приблизно 1014 разів на сік. З цієї теорії випливало, що, вимірявши зміщення частинки за певний час і знаючи її радіус і в'язкість рідини, можна обчислити число Авогадро.

Висновки теорії броунівського руху були підтверджені вимірами Ж. Перрена та Т. Сведберга у 1906 р. На основі цих співвідношень були експериментально визначені постійна Больцмана та постійна Авогадро. (Постійна Авогадро позначається NА, число молекул або атомів в 1 моле речовини, NА=6,022.1023 моль-1; назва на честь А. Авогадро.

Постійна Больцмана, фізична постійна k, рівна відношенню універсальної газової постійної Rдо Авогадро N A: k = R / N A = 1,3807.10-23 Дж/К. Названа на ім'я Л. Больцмана.)

При спостереженні броунівського руху фіксується положення частки через рівні проміжки часу. Чим коротше проміжки часу, тим більш зламана буде виглядати траєкторія руху частинки.

Закономірності броунівського руху є наочним підтвердженням фундаментальних положень молекулярно-кінетичної теорії. Було остаточно встановлено, що теплова форма руху матерії обумовлена ​​хаотичним рухом атомів чи молекул, у тому числі складаються макроскопічні тіла.

Теорія броунівського руху зіграла важливу роль в обґрунтуванні статистичної механіки, на ній заснована кінетична теоріякоагуляції (перемішування) водних розчинів Крім цього, вона має і практичне значенняу метрології, оскільки броунівський рух розглядають як основний фактор, що обмежує точність вимірювальних приладів. Наприклад, межа точності показань дзеркального гальванометра визначається тремтінням дзеркальця, подібно до броунівської частки бомбардованого молекулами повітря. Законами броунівського руху визначається випадковий рух електронів, що викликає шуми електричних ланцюгах. Діелектричні втрати в діелектриках пояснюються випадковими рухами молекул-диполів, що становлять діелектрик. Випадкові рухи іонів у розчинах електролітів збільшують їхній електричний опір.

Траєкторії броунівських частинок (схема досвіду Перрена); точками відзначені положення частинок через однакові проміжки часу.

Таким чином, ДИФУЗІЯ, АБО БРОУНІВСЬКИЙ РУХ – це безладний рух дрібних частинок, зважених у рідині чи газі, що відбувається під впливом ударів молекул довкілля; відкрито

Р. Броуном у 1827 р.

ІІ. 2. Дифузія, її види.

Розрізняють дифузію та самодифузію.

Дифузією називається мимовільне проникнення молекул однієї речовини у проміжки між молекулами іншої речовини. При цьому відбувається перемішування частинок. Дифузія спостерігається для газів, рідин та твердих тіл. Наприклад, крапелька чорнила перемішується у склянці води. Або запах одеколону поширюється по всьому приміщенню.

Дифузія, як і самодифузія, існує, поки є градієнт щільності речовини. Якщо щільність будь-якої однієї й тієї ж речовини неоднакова у різних частинах обсягу, спостерігається явище самодифузії. Самодифузією називається процес вирівнювання щільності(або пропорційної їй концентрації) однієї й тієї ж речовини. Дифузія та самодифузія відбуваються завдяки тепловому руху молекул, що при нерівноважних станах створює потоки речовини.

Щільністю потоку маси називається маса речовини ( dm), що дифундує в одиницю часу через одиничний майданчик ( dS пл), перпендикулярну до осі x :

(1.1)

Явище дифузії підпорядковується закону Фіка

(1.2)

де - модуль градієнта густини, який визначає швидкість зміни густини в напрямку осі х ;

D- коефіцієнт дифузії, що розраховується з молекулярно-кінетичної теорії за формулою

(1.3)

де – середня швидкість теплового руху молекул;

Середня довжина вільного пробігу молекул.

Мінус показує, що перенесення маси відбувається у напрямку зменшення щільності.

Рівняння (1.2) називається рівнянням дифузії чи законом Фіка.

ІІ. 3. Швидкість дифузії.

При русі частинки в речовині вона постійно стикається з його молекулами. Це одна з причин, чому в звичайних умовах дифузія йде повільніше за звичайний рух. Від чого залежить швидкість дифузії?

По-перше, середньої відстані між зіткненнями частинок, тобто. довжина вільного пробігу. Чим більша ця довжина, тим швидше частка проникає у речовину.

По-друге, на швидкість впливає тиск. Чим щільніше упаковка частинок у речовині, тим важче частинці-прибульцю проникнути в таку упаковку.

По-третє, велику роль робить на швидкість дифузії молекулярна маса речовини. Чим більша мета, тим швидше потрапляння, а після зіткнення швидкість завжди уповільнюється.

І, по-четверте, температура. Зі зростанням температури коливання частинок збільшуються, зростає швидкість молекул. Проте, швидкість дифузії в тисячу разів повільніша за швидкість вільного руху.

Всі види дифузії підпорядковуються однаковим законам, що описуються за допомогою коефіцієнта дифузії D, який є скалярною величиноюта визначається з першого закону Фіка.

При одномірній дифузії ,

де J - густина потоку атомів або дефектів речовини,
D - коефіцієнт дифузії,
N – концентрація атомів або дефектів речовини.

Дифузія є процес на молекулярному рівні і визначається випадковим характером руху окремих молекул. Швидкість дифузії пропорційна у зв'язку з цим середньої швидкості молекул. У разі газів середня швидкість малих молекул більша, а саме вона обернено пропорційна квадратному кореню з маси молекули і зростає з підвищенням температури. Дифузійні процеси в твердих тілах за високих температур часто знаходять практичне застосування. Наприклад, у певних типах електронно-променевих трубок (ЕЛТ) застосовується металевий торій, що продифундував через металевий вольфрам при 2000 ºC.

Якщо суміші газів одна молекула вчетверо важче інший, то така молекула пересувається вдвічі повільніше проти її рухом у чистому газі. Відповідно, швидкість дифузії її також нижча. Ця різниця у швидкості дифузії легких та важких молекул застосовується, щоб розділяти речовини з різними молекулярними вагами. Як приклад можна навести розподіл ізотопів. Якщо газ, що містить два ізотопи, пропускати через пористу мембрану, легші ізотопи проникають через мембрану швидше, ніж важкі. Для кращого поділу процес проводиться у кілька етапів. Цей процес широко застосовувався для поділу ізотопів урану (відділення розподіленого під нейтронним опроміненням 235U від основної маси 238U). Оскільки такий спосіб поділу вимагає великих енергетичних витрат, були розвинені інші, економічніші способи поділу. Наприклад, широко розвинене застосування термодифузії у газовому середовищі. Газ, що містить суміш ізотопів, міститься в камеру, в якій підтримується просторовий перепад (градієнт) температур. При цьому важкі ізотопи з часом концентруються у холодній ділянці.

Висновок. На дифузні зміни впливають:

· молекулярна маса речовини (що вище молекулярна маса, тим менша швидкість);

· середня відстань між зіткненнями частинок (що більша довжина пробігу, тим більша швидкість);

· тиск (що більше упаковка частинок, тим важче її пробити),

· температура (з підвищенням температури підвищується швидкість).

ІІ.4. Дифузія у неживій природі.

Чи знаєте ви, що все наше життя побудоване на парадоксі природи? Всім відомо, що повітря, яким ми дихаємо, складається з газів різної щільності: азоту N 2 , кисню О 2 вуглекислого газу СО 2 і незначної кількості інших домішок. І ці гази мають бути розташовані шарами, відповідно силі тяжкості: найважчий, СО 2 ,- біля поверхні землі, над ним – Про 2 , ще вище - N 2 . Але це не відбувається. Нас оточує однорідна суміш газів. Чому не гасне полум'я? Адже кисень, що оточує його, швидко вигоряє? Тут, як і першому випадку, діє механізм вирівнювання. Дифузія перешкоджає порушенню рівноваги у природі!

Чому море солоне? Ми знаємо, що річки пробиваються крізь товщу гірських порід, мінералів і вимивають солі в морі. Як перемішування солі із водою відбувається? Це можна пояснити за допомогою простого досвіду:

ОПИС ДОСВІДУ:У скляну посудину наливаємо водяний розчин мідного купоросу. Поверх розчину обережно наливаємо чисту воду. Спостерігаємо межу між рідинами.

Питання:Що буде відбуватися з цими рідинами з часом, і що ми спостерігатимемо?

З часом межа між рідинами, що стикаються, почне розмиватись. Посудину з рідинами можна поставити в шафу і щодня спостерігати, як відбувається мимовільне перемішування рідин. Зрештою, у посудині утворюється однорідна рідина блідо-блакитного кольору, майже безбарвна на світлі.

Частинки мідного купоросу важчі за воду, але завдяки дифузії вони повільно піднімаються вгору. Причина у будові рідини. Частинки рідини упаковані у компактні групи – псевдоядра. Вони відокремлені один від одного пустотами – дірками. Ядра не стабільні, їх частки недовго перебувають у рівновазі. Варто частинці повідомити енергію, як частка відривається від ядра і провалюється у порожнечі. Звідти вона легко перескакує до іншого ядра тощо.

Молекули сторонньої речовини починають свою подорож рідиною з дір. По дорозі вони зіштовхуються з ядрами, вибивають їх частинки, встають з їхньої місце. Перебираючись з одного вільного місця в інше, вони повільно перемішуються з частинками рідини. Ми вже знаємо, що швидкість дифузії мала. Тому в звичайних умовах цей досвід проходив 18 днів, при підігріві – 2-3 хвилини.

Висновок: У полум'ї Сонця життя і смерть далеких світяться зірок, у повітрі, яким ми дихаємо, зміні погоди, практично у всіх фізичних явищах ми бачимо прояв всемогутньої дифузії!

ІІ.5. Дифузія у живій природі.

Процеси дифузії добре вивчені в даний час, встановлені їх фізичні та хімічні закономірності, і вони цілком застосовні до переміщення молекул у живому організмі. Дифузія в живих організмах нерозривно пов'язана із плазматичною мембраною клітини. Тому необхідно з'ясувати, як вона влаштована, і як особливості її будови пов'язані з транспортуванням речовин у клітині.

Плазматична мембрана (плазмалема, клітинна мембрана), поверхнева, периферична структура, що оточує протоплазму рослинних та тваринних клітин, служить не тільки механічним бар'єром, але, головне, обмежує вільний двосторонній потік у клітину та з неї низько- та високомолекулярних речовин. Більше того, плазмалема виступає як структура, яка «пізнає» різні хімічні речовини та регулює виборчий транспорт цих речовин у клітину

Зовнішня поверхня плазматичної мембрани покрита пухким волокнистим шаром речовини завтовшки 3-4 нм – глікокаліксом. Він складається з ланцюгів складних вуглеводів мембранних інтегральних білків, між якими можуть розташовуватися виділені клітиною з'єднання білків з цукрами і білків з жирами. Тут же виявляються деякі клітинні ферменти, що у позаклітинному розщепленні речовин (позаклітинне травлення, наприклад, в епітелії кишечника).

Так як внутрішня частина ліпідного шару гідрофобна, він є практично непроникним бар'єром для більшості. полярних молекул. Внаслідок наявності цього бар'єру, запобігається витоку вмісту клітин, проте через це клітина була змушена створити спеціальні механізми для транспортування розчинних у воді речовин через мембрану.

Плазматична мембрана, як і інші ліпопротеїдні мембрани клітини, є напівпроникною. Максимальну проникаючу здатність має вода і розчинені в ній гази. Транспорт іонів може проходити градієнтом концентрацій, тобто пасивно, без витрат енергії. І тут деякі мембранні транспортні білки утворюють молекулярні комплекси, канали, якими іони проходять крізь мембрану з допомогою простої дифузії. В інших випадках спеціальні мембранні білки-переносники вибірково зв'язуються з тим чи іншим іоном та переносять його через мембрану. Такий тип перенесення називається активним транспортом та здійснюється за допомогою білкових іонних насосів. Наприклад, витрачаючи 1 молекулу АТФ, система К-Nа насоса відкачує за один цикл із клітини 3 іона Nа і закачує 2 іона До проти градієнта концентрації. У поєднанні з активним транспортом іонів через плазмалемму проникають різні цукри, нуклеотиди та амінокислоти. Макромолекули, такі як, наприклад, білки через мембрану не проходять. Вони, а також великі частки речовини транспортуються всередину клітини за допомогою ендоцитозу. При ендоцитозі певну ділянку плазмалеми захоплює, обволікає позаклітинний матеріал, укладає його в мембранну вакуолю. Ця вакуоль – ендосома – зливається у цитоплазмі з первинною лізосомою і відбувається перетравлення захопленого матеріалу. Ендоцитоз формально поділяють на фагоцитоз (поглинання клітиною великих частинок) та піноцитоз (поглинання розчинів). Плазматична мембрана бере участь і у виведенні речовин із клітини за допомогою екзоцитозу – процесу, зворотного ендоцитозу.

Особливо важливою для живих організмів є дифузія іонів у водних розчинах. Не менш важлива роль дифузії у диханні, фотосинтезі, транспірації рослин; у перенесенні кисню повітря через стінки альвеол легень та попадання його в кров людини та тварин. Дифузія молекулярних іонів через мембрани здійснюється за допомогою електричного потенціалу всередині клітини. Маючи виборчу проникність, мембрани грають роль митниці при переміщенні товарів через кордон: одні речовини пропускають, інші - затримують, треті - взагалі «видворяють» із клітини. Роль мембран у житті клітин дуже велика. Клітка, що гине, втрачає контроль над можливістю регулювати концентрацію речовин через мембрану. Першою ознакою вмирання клітини є зміни в проникності і збої в роботі її зовнішньої мембрани.

Крім звичайного транспорту – кінетичного процесу перенесення частинок речовини під дією градієнтів електричного чи хімічного потенціалу, температури чи тиску – у клітинних процесах має місце і активний транспорт – рух молекул та іонів проти градієнта концентрації речовин. Такий механізм дифузії назвали осмосом. (Вперше осмос спостерігав А. Нолле в 1748 році, проте дослідження цього явища було розпочато через сторіччя.) Цей процес здійснюється за рахунок різного осмотичного тиску в водному розчиніпо різні боки біологічної мембрани Вода часто вільно проходить шляхом осмосу через мембрану, але ця мембрана може бути непроникною для речовин, розчинених у воді. Цікаво, що вода тече проти дифузії цієї речовини, але підкоряючись загальному закону градієнта концентрації (у разі води).

Тому вода прагне з більш розбавленого розчину, де її концентрація вища, більш концентрований розчинречовини, в якій концентрація води нижча. Не маючи можливості безпосередньо всмоктувати і відкачувати воду, клітина здійснює це за допомогою осмосу, змінюючи концентрацію розчинених речовин, що знаходяться в ній. Осмос вирівнює концентрацію розчину з обох боків мембрани. Від осмотичного тиску розчинів речовин з обох боків клітинної оболонки та пружності клітинної оболонки залежить напружений стан клітинної оболонки, яке називають тургорним тиском (тургор – від лат. turgere – бути набряклим, наповненим). Зазвичай пружність оболонок клітин тварин (виключаючи деяких кишковопорожнинних) невелика, вони позбавлені високого тургорного тиску і зберігають цілісність тільки в ізотонічних розчинах або мало відрізняються від ізотонічних (різниця між внутрішнім тиском і зовнішнім тиском менше 0,5-1,0 ам). У живих рослинних клітин тиск внутрішній завжди більший за тиск зовнішнього, однак, розриву клітинної оболонки у них не відбувається через наявність целюлозної клітинної стінки. Різниця між внутрішнім та зовнішнім тисками у рослин (наприклад, у рослин галофітів – люблячих сіль, грибів) досягає 50-100 ам. Але навіть у своїй запас міцності рослинної клітини становить 60-70%. У більшості рослин відносне подовження клітинної оболонки внаслідок тургору не перевищує 5-10%, а тургорний тиск лежить у межах 5-10 ам. Завдяки тургору тканини рослин мають пружність і конструктивну міцність. (Досліди №3, №4 підтверджують це). Всі процеси автолізу (самоснищення), в'янення та старіння супроводжуються падінням тургорного тиску.

Розглядаючи дифузію у живій природі, не можна не згадати про всмоктування. Всмоктування - процес надходження різних речовин із навколишнього середовища через клітинні мембрани до клітин, і через них - у внутрішнє середовище організму. У рослин це процес поглинання води з розчиненими в ній речовинами корінням, листям шляхом осмосу та дифузії; у безхребетних – із навколишнього середовища або порожнинної рідини. У примітивних організмів всмоктування здійснюється за допомогою піно- та фагоцитозу. У хребетних всмоктування може відбуватися як із порожнинних органів - легенів, матки, сечового міхура, так і з поверхні шкіри, з ранової поверхні та ін. Шкірою всмоктуються леткі гази, пари.

Найбільше фізіологічне значення має всмоктування у шлунково-кишковому тракті, яке відбувається головним чином тонкому кишечнику. Для ефективного перенесення речовин особливе значення має велика площа поверхні кишечника і постійно високий кровотік у слизовій оболонці, за рахунок якого підтримується високий градієнт концентрацій сполук, що всмоктуються. У людини брижовий кровотік під час їжі близько 400 мл/хв, а в розпал травлення - до 750 мл/хв, причому основну частку (до 80%) становить кровотік у слизовій оболонці травних органів. Завдяки наявності структур, що збільшують поверхню слизової оболонки - кругових складок, ворсинок, мікроворсинок, Загальна площавсмоктуючої поверхні кишки людини досягає 200 м2.

Вода та розчини солей можуть дифундувати по обидва боки кишкової стінки, як у тонкому, так і в товстому кишечнику. Всмоктування їх відбувається переважно у верхніх відділах тонкого кишечника. Велике значення має у тонкому кишечнику транспорт іонів Na+, за рахунок яких переважно створюється електричний та осмотичний градієнти. Всмоктування іонів Na+ відбувається за рахунок активного, і пасивного механізмів.

Якщо б у клітини не існувало систем регуляції осмотичного тиску, то концентрація розчинених речовин усередині неї виявилася б більшою від їх зовнішніх концентрацій. Тоді концентрація води у клітині була б меншою, ніж її концентрація зовні. Внаслідок цього відбувався б постійний приплив води в клітину та її розрив. На щастя, тваринні клітини та бактерії контролюють осмотичний тиск у своїх клітинах за допомогою активного викачування неорганічних іонів, таких як Na. Тому їхня загальна концентрація всередині клітини нижча, ніж зовні. Наприклад, земноводні значну частину часу проводять у воді, а вміст солей у їх крові та лімфі вищий, ніж у прісних водах. Організми амфібій через шкірні покрови безперервно всмоктують воду. Тому вони виробляють багато сечі. Жаба, наприклад, якщо їй перев'язати клоаку, набухає, як куля. І, навпаки, якщо земноводне потрапляє у солону морську воду, воно зневоднюється та гине дуже швидко. Тому моря та океани для амфібій – непереборна перешкода. Клітини рослин мають жорсткі стінки, які захищають їхню відмінність від набухання. Багато найпростіших уникають розриву від води, що надходить всередину, за допомогою спеціальних механізмів, які регулярно викидають воду, що надходить.

Таким чином, клітина є відкритою термодинамічною системою, здійснюючи обмін речовиною та енергією з навколишнім середовищем, але зберігає певну сталість внутрішнього середовища. Ці дві властивості саморегулюючої системи - відкритість і сталість - виконуються одночасно, причому за сталість клітини якраз і відповідає обмін речовин (метаболізм). Обмін речовин є тим регулятором, який сприяє збереженню системи, забезпечує доцільне реагування на вплив навколишнього середовища. Тому необхідною умовою обміну речовин є дратівливість живої системи на всіх рівнях, яка водночас постає як фактор системності та цілісності системи.

Мембрани можуть змінювати свою проникність під впливом хімічних та фізичних факторів, у тому числі внаслідок деполяризації мембрани під час проходження електричного імпульсу через систему нейронів та впливу на неї.

Нейрон – це відрізок нервового волокна. Якщо одному його кінці діє подразник, виникає електричний імпульс. Величина його близько 0,01 для м'язових клітин людини, і він поширюється зі швидкістю близько 4 м/с. Коли імпульс доходить до синапса - з'єднання нейронів, яке можна розглядати як своєрідне реле, що передає сигнал від одного нейрона на інший, то електричний імпульс перетворюється на хімічний за допомогою виділення нейромедіаторів - специфічних речовин-посередників. Коли молекули такого посередника потрапляють у щілину між нейронами, нейромедіатор шляхом дифузії досягає кінця щілини і збуджує наступний нейрон.

Однак нейрон реагує тільки в тому випадку, якщо на його поверхні є спеціальні молекули - рецептори, які можуть пов'язувати лише даний медіатор і не реагувати на інший. Це відбувається не тільки на мембрані, але й у будь-якому органі, наприклад, м'язі, викликаючи її скорочення. Сигнали-імпульси через синапси можуть гальмувати або посилювати передачу інших, і тому нейрони виконують логічні функції («і», «або»), що певною мірою і послужило М. Вінеру підставою вважати, що обчислювальні процеси в мозку живого організму та в ЕОМ йдуть принципово за тією ж схемою. Тоді інформаційний підхід дозволяє єдиним чином описувати неживу та живу природу.

Сам процес впливу сигналу на мембрану полягає у зміні її високого електричного опору, Так як різниця потенціалів на ній теж близько 0,01 В. Зменшення опору призводить до збільшення імпульсу електричного струму та збудження передається далі у вигляді нервового імпульсу, Змінюючи при цьому можливість проходження через мембрану певних іонів. Таким чином, інформація в організмі може передаватися в поєднанні, хімічним та фізичним механізмами, і це забезпечує надійність та різноманітність каналів її передачі та переробки в живій системі.

З процесами клітинного дихання, коли в мітохондріях клітини утворюються молекули АТФ, забезпечуючи її необхідною енергією, тісно пов'язані і процеси звичайного дихання живого організму, для якого потрібний кисень О2, що отримується в результаті фотосинтезу. Механізми цих процесів також ґрунтуються на законах дифузії. По суті, це ті матеріальні та енергетичні компоненти, які потрібні живому організму. Фотосинтез – це процес запасання сонячної енергії шляхом утворення нових зв'язків у молекулах синтезованих речовин. Вихідними речовинами для фотосинтезу є вода Н 2 Про двоокис вуглецю СО 2 . З цих простих неорганічних сполукутворюються складніші багаті на енергію поживні речовини. Як побічний, але дуже важливий для нас продукту утворюється молекулярний кисень О 2 . Прикладом може бути реакція, яка йде за рахунок поглинання квантів світла та присутності пігменту хлорофілу, що міститься у хлоропластах.

В результаті виходить одна молекула цукру C 6 Н 12 6 і шість молекул кисню О 2 . Процес йде по-стадійно, спочатку на стадії фотолізу утворюються шляхом розщеплення води водень і кисень, а потім водень, з'єднуючись з вуглекислим газом, утворює вуглевод - цукор С6Н12О6. Фактично, фотосинтез - перетворення променистої енергії Сонця на енергію хімічних зв'язківвиникаючих органічних речовин. Таким чином, фотосинтез, що виробляє на світлі кисень Про 2 є тим біологічним процесом, який забезпечує живі організми вільною енергією. Процес звичайного дихання як процес обміну речовин в організмі, пов'язаний із споживанням кисню, є зворотним процесом фотосинтезу. Обидва ці процеси можуть йти наступним ланцюжком:

Сонячна енергія(фотосинтез)

поживні речовини + (дихання)

Енергія хімічних зв'язків.

Кінцеві продукти дихання є вихідними речовинами для фотосинтезу. Тим самим процеси фотосинтезу та дихання беруть участь у кругообігу речовин на Землі. Частина сонячного випромінювання поглинається рослинами та деякими організмами, які, як ми знаємо, є автотрофами, тобто. саможиваючими (харчування для них - сонячне світло). Внаслідок процесу фотосинтезу автотрофи пов'язують вуглекислий газатмосфери і воду, утворюючи до 150 млрд. тонн органічних речовин, засвоюючи до 300 млрд. тонн СО 2 і виділяють близько 200 млрд. тонн вільного кисню Про 2 щорічно.

Отримані органічні речовинивживаються як їжа людиною і травоїдними тваринами, якими, своєю чергою, харчуються інші гетеротрофи. Рослинні та тваринні залишки потім розкладаються до простих неорганічних речовин, які знову можуть брати участь у вигляді СО 2 та Н 2 Про у фотосинтезі Частина енергії, у тому числі запасеної у вигляді викопного енергетичного палива, йде на споживання її живими організмами, частина марно розсіюється в навколишнє середовище. Тому процес фотосинтезу завдяки можливості забезпечення їм необхідної енергії та кисню є певному етапі розвитку біосфери Землі каталізатором еволюції живого.

p align="justify"> Процеси дифузії лежать в основі обміну речовин у клітині, а значить, з їх допомогою дані процеси здійснюються і на рівні органів. Так здійснюються процеси всмоктування у кореневих волосках рослин, кишечнику тварин та людини; газообмін в продихах рослин, легень і тканин людини і тварин, видільні процеси.

Будівлею та вивченням клітин біологи займаються вже понад 150 років, починаючи зі Шлейдена, Шванна, Пуріме та Вірхова, який у 1855 р. встановив механізм зростання клітин шляхом їх поділу. Було встановлено, що кожен організм розвивається з однієї клітини, яка починає ділитися і в результаті цього утворюється безліч клітин, що помітно відрізняються одна від одної. Але оскільки спочатку розвиток організму почався від розподілу першої клітини, то на одному з етапів нашого життєвого циклуми зберігаємо схожість з дуже віддаленим одноклітинним предком, і можна жартома сказати, що ми швидше походять від амеби, ніж від мавпи.

З клітин формуються органи, й у системи клітин виникають такі якості, яких у складових її елементів, тобто. окремих клітин. Ці відмінності обумовлені набором білків, що синтезуються цією клітиною. Бувають клітини м'язові, нервові, кров'яні (еритроцити), епітеліальні та інші, залежно від своєї функціональності. Диференціювання клітин відбувається поступово у розвитку організму. У процесі поділу клітин, їх життя та загибелі протягом усього життя організму відбувається безперервна заміна клітин.

Жодна молекула в нашому тілі не залишається незмінною довше за кілька тижнів або місяців. За цей час молекули синтезуються, виконують свою роль у житті клітини, руйнуються та замінюються іншими, більш менш ідентичними молекулами. Найдивовижніше, що живі організми в цілому значно більш постійні, ніж складові їх молекули, і будова клітин і всього тіла, що складається з цих клітин, залишається в цьому безперервному кругообігу незмінним, незважаючи на заміну окремих компонентів.

Причому це не заміна окремих деталей автомобіля, а, як образно порівнює С. Роуз, тіло з цегляною спорудою, «з якої божевільний муляр безперервно вночі та вдень виймає одну цеглу за іншою і вставляє на їхнє місце нові. У цьому зовнішній вигляд будівлі залишається тим самим, а матеріал постійно замінюється». Ми народжуємося з одними нейронами та клітинами, а помираємо з іншими. Прикладом є свідомість, розуміння та сприйняття дитини та старої людини. У всіх клітинах є повна генетична інформація побудови всіх білків даного організму. Зберігання та передача спадкової інформаціїздійснюються з допомогою клітинного ядра.

Висновок: Не можна перебільшити роль проникності плазматичної мембрани у життєдіяльності клітини. Більшість процесів, пов'язаних із забезпеченням клітини енергією, отриманням продуктів та позбавленням її продуктів розпаду, засновані на закономірностях дифузії через цю напівпроникну живу перешкоду.

Осмос- по суті, проста дифузія води з місць з її більшою концентрацією, місця з меншою концентрацією води.

Пасивний транспорт – це перенесення речовин із місць із великим значенням електрохімічного потенціалу до місць із його меншим значенням. Перенесення малих водорозчинних молекул здійснюється з допомогою спеціальних транспортних білків. Це особливі трансмембранні білки, кожен з яких відповідає за транспортування певних молекул або груп родинних молекул.

Часто буває необхідним забезпечити перенесення через мембрану молекул проти їхнього електрохімічного градієнта. Такий процес називається активним транспортомі здійснюється білками-переносниками, діяльність яких потребує витрат енергії. Якщо зв'язати білок-переносник із джерелом енергії, можна отримати механізм, який забезпечує активний транспорт речовин через мембрану.

ІІ.6. Застосування дифузії.

Людина з давніх часів використовує явища дифузії. З цим процесом пов'язані приготування їжі та обігрів житла. Ми зустрічаємося з дифузією при термообробці металів (зварюванні, пайці, різанні, нанесенні покриттів тощо); нанесення тонкого шару металів на поверхню металевих виробів для підвищення хімічної стійкості, міцності, твердості деталей та приладів або в захисно-декоративних цілях (оцинкування, хромування, нікелювання).

Природний горючий газ, яким ми користуємося вдома для приготування їжі, немає ні кольору, ні запаху. Тому важко було б одразу помітити витік газу. А при витоку рахунок дифузії газ поширюється по всьому приміщенню. Тим часом, при певному співвідношенні газу з повітрям у закритому приміщенні утворюється суміш, яка може вибухнути, наприклад, від запаленого сірника. Газ може викликати отруєння.

Щоб зробити надходження газу до приміщення помітним, на розподільних станціях горючий газ попередньо змішують з особливими речовинами, що мають різкий неприємний запах, який легко відчувається людиною навіть за дуже малої його концентрації. Такий запобіжний засіб дозволяє швидко помітити накопичення газу в приміщенні, якщо утворився витік.

У сучасній промисловості використовують вакуумформування, спосіб виготовлення виробів із листових термопластів. Виріб необхідної конфігурації отримують за рахунок різниці тисків, що виникає внаслідок розрідження в порожнині форми, над якою закріплений лист. Застосовується, наприклад, у виробництві ємностей, деталей холодильників, корпусів приладів. За рахунок дифузії таким шляхом можна зварити те, що саме зварити неможливо (метал зі склом, скло та кераміку, метали та кераміку, та багато іншого).

За рахунок дифузії різних ізотопів урану через пористі мембрани полечено паливо для ядерних реакторів. Іноді ядерне паливо називають ядерним пальним.

Всмоктування (розсмоктування) речовин при введенні їх у підшкірну клітковину, м'язи або аплікації на слизові оболонки ока, носа, шкіру слухового проходу відбувається головним чином за рахунок дифузії. На цьому засноване застосування багатьох лікарських речовин, причому всмоктування у м'язах відбувається швидше, ніж у шкірі.

Народна мудрість каже: "коси коса, поки роса". Скажете, до чого тут дифузія та ранковий покіс? Пояснення дуже простий. Під час ранкової роси у трав підвищений тургорний тиск, відкриті продихи, стебла пружні, що полегшує їх скошування (трава, скошена при закритих продихах, гірше сохне).

У садівництві, при окулюванні та щепленні рослин на зрізах за рахунок дифузії утворюється каллюс (від лат. Сallus – мозоль) - ранова тканина у вигляді напливу в місцях пошкоджень і сприяє їх загоєнню, забезпечує зрощення щепи з підщепою.

Каллюс використовують для одержання культури ізольованих тканин (експлантації). Це метод тривалого збереження та вирощування у спеціальних живильних середовищах клітин, тканин, невеликих органів або їх частин, виділених з організму людини, тварин та рослин. Заснований на методах вирощування культури мікроорганізмів, що забезпечують асептику, харчування, газообмін та видалення продуктів обміну об'єктів, що культивуються. Одна з переваг методу тканинних культур – можливість спостереження за життєдіяльністю клітин за допомогою мікроскопа. Для цього рослинну тканину вирощують на живильних середовищах, що містять ауксини та цитокініни. Каллюс складається зазвичай із слабко диференційованих однорідних клітин освітньої тканини, але при зміні умов вирощування, насамперед вмісту фітогормонів у живильному середовищі, у ньому можливе утворення флоеми, ксилеми та інших тканин, а також розвиток різних органів та цілої рослини.

ІІ.7. Проектування окремих дослідів.

Використовуючи наукову літературу, я спробував повторити найцікавіші для мене досвіди. Механізм дифузії та результати цих дослідів я зобразив у презентації у вигляді анімаційних моделей.

ДОСВІД 1.Взяти дві пробірки: одна до половини наповнена водою, інша до половини наповнена піском. Воду вилити у пробірку із піском. Об'єм суміші води та піску в пробірці менше суми обсягів води та піску.

ДОСВІД 2.Довгу скляну трубку до половини наповнити водою, а потім зверху налити підфарбований спирт. Загальний рівеньрідин у трубці відзначити гумовим кільцем. Після перемішування води та спирту обсяг суміші зменшується.

(Досліди 1 і 2. доводять, що між частинками речовини існують проміжки; під час дифузії вони заповнюються частинками речовини – прибульця.)

ДОСВІД 3.Ватку, змочену нашатирним спиртом, приведемо дотик з ваткою, змоченою індикатором фенолфталеїном. Спостерігаємо фарбування ваток у малиновий колір.

Тепер ватку, змочену нашатирним спиртом, поміщають на дно скляної судини, а змочену фенолфталеїном. Прикріпимо до кришки та накриємо цією кришкою скляну посудину. Через деякий час ватка, змочена фенолфталеїном, починає фарбуватись.

В результаті взаємодії з нашатирним спиртом фенолфталеїн забарвлюється в малиновий колір, що ми спостерігали при дотику ваток. Але чомусь тоді в другому випадку ватка, змочена фенолфталеїном. Також фарбується, адже тепер ватки на дотик не наводилися? Відповідь: безперервний хаотичний рух частинок речовин.

ДОСВІД 4.Уздовж стінки всередині високої циліндричної судини опустити вузьку смужку фільтрувального паперу, просоченою сумішшю крохмального клейстеру з розчином індикатора фенолфталеїну. На дно судини помістити кристали йоду. Посудину щільно закрити кришкою, до якої підвішена вата, просочена розчином аміаку.

За рахунок взаємодії йоду з крохмалем по смужці паперу вгору піднімається синьо - фіолетове забарвлення. Одночасно вниз поширюється малинове забарвлення – підтвердження руху молекул аміаку. Через кілька хвилин межі пофарбованих ділянок паперу зустрінуться, і далі синій і малиновий кольори змішуються, тобто відбувається дифузія. [10]

ДОСВІД 5.(Проводять удвох) Взяти годинник з секундною стрілкою, рулетку, флакон туалетної води і встати в різні кути кімнати. Один засікає час та відкриває флакон. Інший відзначає час, коли відчує запах туалетної води. Вимірюючи відстань між експериментаторами, знаходимо швидкість дифузії. Для точності досвід повторюється 3 – 4 рази, і перебуває середнє значення швидкості. Якщо відстань між експеритентаторами 5 метрів, запах відчувається через 12 хвилин. Тобто швидкість дифузії у разі дорівнює 2, 4 м /хв.

ДОСВІД 6.ВИЗНАЧЕННЯ В'ЯЗКОСТІ ПЛАЗМИ МЕТОДОМ ПЛАЗМОЛІЗУ (за П.А.Генкеля).

Швидкість наступу опуклого плазмолізу у рослинних клітинах під час їх обробки гіпертанічним розчином залежить від в'язкості цитоплазми; що менше в'язкість цитоплазми, то швидше увігнутий плазмоліз перетворюється на опуклий. В'язкість цитоплазми залежить від ступеня дисперсії колоїдних частинок та їх гідратації, від вмісту води у клітині, від віку клітин та інших факторів.

Хід роботи.Роблять тонкий зріз епідермісу з листа алое, або здирають епідерміс з м'яких лусок цибулі. Виготовлені зрізи підфарбовують у годинному склі протягом 10 хвилин у розчині нейтрального червоного концентрації 1:5000. Потім зрізи об'єкта поміщають на предметне скло краплю сахарози слабкої концентрації і закривають одним покривним склом. Під мікроскопом спостерігається стан плазмолізу. Спочатку у клітинах відзначається увігнутий плазмоліз. Надалі ця форма або зберігається, або з тією чи іншою швидкістю перетворюється на опуклу форму. Важливо відзначити час переходу увігнутого плазмолізу у опуклий. Проміжок часу, протягом якого увігнутий плазмоліз перетворюється на опуклий, є показником ступеня в'язкості протоплазми. Чим більша тривалість часу переходу до опуклого плазмолізу, тим більша в'язкість плазми. Плазмоліз у клітинах цибулі починається швидше, ніж у шкірці алое. Значить цитоплазма клітин алое більш в'язка.

ДОСВІД 7.ПЛАЗМОЛІЗ. ДЕПЛАЗМОЛІЗ. ПРОНИКНЕННЯ РЕЧОВИН У ВАКУОЛЬ [ 2]

Деякі органічні речовини досить швидко проникають у вакуолю. У клітинах, при їхньому витримуванні в розчинах таких речовин, порівняно швидко втрачається плазмоліз і настає деплазмоліз.

Деплазмоліз – це відновлення тургору у клітинах(Тобто явище, зворотне плазмолізу).

Хід роботи.Зрізи верхнього епідермісу луски забарвленої цибулі (увігнута сторона) поміщають у краплю I М розчину добрива для рослин сечовини або гліцерину прямо на предметному склі, накривають покривним склом. Через 15-30 хвилин об'єкти розглядають під мікроскопом. Добре помітні плазмолізовані клітини. Залишають зрізи у краплі розчину ще на 30-40 хвилин. Потім знову розглядають під мікроскопом та спостерігають деплазмоліз – відновлення тургору.

Висновок : рослини не можуть чітко контролювати кількість хімічних речовин, що надходять і виходять з клітин.

ІІІ. Висновок.

Закономірностям дифузії підпорядковуються процеси фізико-хімічних переміщень елементів у земних надрах та у Всесвіті, а також процеси життєдіяльності клітин та тканин живих організмів. Дифузія відіграє важливу роль у різних областяхнауки та техніки, у процесах, що відбуваються в живій та неживій природі. Дифузія впливає на перебіг багатьох хімічних реакцій, а також багатьох фізико-хімічних процесів та явищ: мембранних, випаровування, конденсації, кристалізації, розчинення, набухання, горіння, каталітичних, хроматографічних, люмінесцентних, електричних та оптичних у напівпровідниках, уповільнення нейтронів у ядерних реакторах тощо. Дифузія велике значення має при утворенні на межах фаз подвійного електричного шару, дифузіофорезі та електрофорезі, у фотографічних процесах для швидкого отримання зображення та ін. шкіри та хутра, фарбування волокон, переміщення газів за допомогою дифузійних насосів. Роль дифузії істотно зросла у зв'язку з необхідністю створення матеріалів із заздалегідь заданими властивостями для областей техніки ( ядерної енергетики, космонавтики, радіаційних та плазмохімічних процесів тощо). Знання законів, що управляють дифузією, дозволяє попереджати небажані зміни у виробах, що відбуваються під впливом високих навантажень і температур, опромінення та багато іншого.

Яким взагалі був би світ без дифузії? Припини тепловий рух частинок - і навколо все стане мертвим!

У своїй роботі я узагальнив зібраний на тему реферату матеріал і підготував для його захисту презентацію, зроблену в редакторі Power Point. Ця презентація, на мій погляд, зможе урізноманітнити матеріал уроку з цієї теми. Деякі описані в літературі досліди були повторені та трохи видозмінені мною. Найбільш цікаві прикладидифузії представлені на слайдах презентації анімаційних моделях.

IV. Використовувана література:

1. Антонов В. Ф., Черниш А. М., Пасічник В. І., та ін. Біофізика.

М., Арктос-Віка-прес, 1996

2. Афанасьєв Ю.І., Юрина Н.А., Котовський Є.Ф. та ін Гістологія.

М. Медицина, 1999.

3. Албертс Б., Брей Д., Льюїс Дж. та ін. Молекулярна біологія клітини.

У трьох томах. Том 1. М., Мир, 1994.

4. Велика енциклопедіяКирила та Мефодія 2006

5. Варікаш В.М. та ін Фізика у живій природі. Мінськ,1984.

6. Дем'янков Є.М. Завдання з біології. М. Владос, 2004.

7. Ніколаєв Н.І. Дифузія у мембранах. М. Хімія, 1980, с.76

8. Перишкін А.В. фізика. 7. М. Дрофа, 2004.

9. Фізичний енциклопедичний словник, М., 1983, с. 174-175, 652, 754

10. Шабловський Ст. Цікава фізика. С-Петербург, «тригон» 1997, с.416

11. xttp//bio. fizten/ru./

12. xttp//markiv. narod.ru./

13. «http://ua.wikipedia.org/wiki/%D0%94%D0%B8%D1%84%D1%84%D1%83%D0%B7%D0%B8%D1%8F» Категорії: Явища атомному рівні | Термодинамічні явища Явлення перенесення Дифузія