Конспект урока "Диффузия в природе и в жизни человека"




1
Диффузия. Диффузия в природе и в жизни человека
Диффузия играет огромную роль в природе, в быту человека и в технике.
Диффузионные процессы могут оказывать как положительное, так и отрицательное влияние
на жизнедеятельность человека и животных. Однако, не у всех людей есть достаточное
представление о протекании этого явления.
Актуальность работы состоит в том, что изучение влияния диффузии на
жизнедеятельность растений, животных и человека расширит спектр наших знаний о живой
природе, продемонстрирует тесную связь физики, биологии, экологии, медицины.
Объект исследования - явление диффузии.
Предмет исследования - влияние явления диффузии на процессы, протекающие в
природе, и связанные с жизнедеятельностью человека.
Цель: рассмотреть роль диффузии в природе и жизнедеятельности человека, доказать
общую значимость этого явления.
Задачи:
1. Изучить материал о роли диффузии в природе и жизнедеятельности человека.
2. Провести некоторые опыты, характеризующие закономерности протекания диффузии.
3. Проанализировать полученную информацию о явлении диффузии, а также определить
степень значимости этого явления для растений, животных, человека.
Методы:
1.Изучение литературных и других информационных источников.
2.Анализ и обработка материала о значимости явления диффузии.
3.Проведение экспериментов.
§1 Явление «диффузия», его сущность
Диффузия (от лат. Diffusio распространение, растекание, рассеивание) - это явление,
при котором происходит взаимное проникновение молекул одного вещества между
молекулами другого.
Явление диффузии мы наблюдаем каждый день: наливаем ли заварку чая в кипяток,
приготавливаем ли красящий раствор. И даже когда сгорает что-то на плите, а запах
чувствуется по всему дому, мы вновь сталкиваемся с явлением диффузии.
Возникает вопрос, почему же запах в комнате распространяется не мгновенно, а через
некоторое время. Дело в том, что движению пахучего вещества в определенном направлении
мешает движение молекул воздуха. Молекулы ухов или нафталина) на своем пути
сталкиваются с молекулами газов, которые входят в состав воздуха. Они постоянно меняют
направление движения и, беспорядочно перемещаясь, разлетаются по комнате.
2
Так как частицы движутся и в газах, и в жидкостях, и в твердых телах, то во всех этих
веществах возможна диффузия. Однако скорость протекания данного явления для них
различна. Для подтверждения данного факта был проведен эксперимент. Одновременно
совершили три действия: разрезали апельсин, опустили в стакан пакетик чая и на срез сырой
картофелины насыпали несколько кристалликов марганцовки. В результате наблюдений
было установлено, что запах апельсина распространился по комнате за несколько секунд,
немногим более потребовалось времени для того, чтобы чай окрасил воду, а молекулы
перманганата калия только на несколько миллиметров диффундировали в картофель за пару
часов. Полученные результаты свидетельствуют о том, что диффузия протекает быстрее в
газах, чуть медленнее в жидкостях и очень медленно в твердых телах. Дело в том, что в
газах и жидкостях основной вид теплового движения частиц приводит к их перемешиванию,
а в твердых телах, в кристаллах, где атомы совершают малые колебания около положения
узла решётки, нет.
Процесс диффузии ускоряется с повышением температуры. Обратимся к опыту. В два
стакана налили воду, но в один холодную, а в другой горячую. Опустили одновременно в
стаканы пакетики с чаем. Нетрудно заметить, что в горячей воде чай быстрее окрашивает
воду, диффузия протекает быстрее. Это происходит потому, что с повышением температуры
увеличивается скорость движения молекул. Поэтому прежде чем сделать укол пациенту,
холодный раствор с инъекцией врач немного нагревает до температуры, близкой к
температуре человека.
§2 Осмос и диализ - формы проявления диффузии
В мире живых организмов диффузия проявляется в двух формах - диализе и осмосе.
Диализом называется диффузия молекул растворенного вещества, а осмосом - диффузия
растворителя через полупроницаемую мембрану.
Основную роль для диффузионных процессов в живых организмах играют мембраны,
находящиеся на поверхности клеток, клеточных ядер и вакуолей и обладающие
избирательной проницаемостью. Прохождение вещества через мембрану зависит от
размеров и некоторых других физических свойств молекул растворителя, а также от свойств
самой мембраны.
Если мешочек из пергамента заполнить раствором сахара или соли и поместить в
сосуд с водой, то молекулы растворённого вещества будут диффундировать через стенки
мешочка, пока их концентрация в мешочке и в сосуде с водой не станет одинаковой. В этом
случае мы можем говорить, что поры мембраны достаточно велики для прохождения через
них молекул растворенного вещества. Этот метод диализ часто применяют для
получения чистых препаратов белков и других соединений.
3
Диализ также используется в аппарате «искусственная почка». Аппарат представляет
собой гемодиализатор, в котором кровь соприкасается через полупроницаемую мембрану с
солевым раствором. Из крови в солевой раствор сквозь мембрану проходят ионы и молекулы
продуктов обмена (мочевина, мочевая кислота), а также различные токсические вещества,
подлежащие удалению из организма. Аппарат представляет собой систему из плоских
каналов, разделенных тонкими целлофановыми мембранами, по которым встречными
потоками медленно движутся кровь и солевой раствор, обогащенный газовой смесью CO
2
+
О
2
.Аппарат подключается к кровеносной системе больного с помощью катетеров. Диализ
продолжается 4-6 ч. Этим достигается очистка крови от азотистых шлаков при
недостаточной функции почек, т.е. осуществляется регулирование химического состава
крови.
Если взять мешочек с более мелкими порами, пропускающими только молекулы
растворителя, (например, воды), но не пропускающими молекул сахара, то молекулы воды
будут диффундировать в мешочек, увеличивая объём раствора в нем. В этом случае мы
говорим об осмосе. Впервые осмос наблюдал А. Нолле в 1748, однако исследование этого
явления было начато спустя столетие. Явление осмоса наблюдается в тех средах, где
подвижность растворителя больше подвижности растворённых веществ. Осмос сохраняет
внутри клетки белки, столь важные для биологических процессов живых организмов.
§3 Роль диффузии в природе
Явление диффузии играет большую роль в природе. Так, например, благодаря
диффузии поддерживается однородный состав атмосферного воздуха вблизи поверхности
Земли. Нижний слой атмосферы тропосфера состоит из смеси газов: азота, кислорода,
углекислого газа и паров воды. При отсутствии диффузии произошло бы расслоение под
действием силы тяжести: внизу оказался бы слой тяжёлого углекислого газа, над ним –
кислород, выше – азот и инертные газы.
К.А. Тимирязев говорил: «Будем ли мы говорить о питании корня за счёт веществ,
находящихся в почве, будем ли говорить о воздушном питании листьев за счет атмосферы
или питании одного органа за счёт другого, соседнего, везде для объяснения мы будем
прибегать к тем же причинам: диффузия».
Действительно, в растительном мире также велика роль диффузии. Например,
большое развитие листовой кроны деревьев объясняется тем, что диффузионный обмен
сквозь поверхность листьев выполняет не только функцию дыхания, но частично и питания.
В настоящее время широко практикуется внекорневая подкормка плодовых деревьев путем
опрыскивания их кроны. Благодаря диффузии растение получает минеральные вещества и
4
воду из почвы.
Без этого явления не было бы и животного мира. Диффузия влияет не только на
физиологические процессы, происходящие в организме животных: таких как, например,
регуляция солевого баланса. Благодаря диффузии они находят себе пищу. Акулы, например,
чувствуют запах крови на расстоянии нескольких километров. Бабочки, порхая меж
растений, всегда находят дорогу к красивому цветку. Пчелы, обнаружив сладкий объект,
штурмуют его своим роем.
Большую роль играют диффузные процессы в снабжении природных водоёмов и
аквариумов кислородом. Кислород попадает в более глубокие слои воды в стоячих водах за
счёт диффузии через их свободную поверхность. Чтобы изучить, как различные вещества на
поверхности воды влияют на скорость испарения воды и сделать вывод о скорости
протекания диффузии, был проделан следующий опыт.
В тарелки была налита вода одинаковой массы и одинаковой температуры (37
градусов), затем в одну тарелку был налит бензин (5 мл), во вторую керосин (5мл), в
третью растительное масло (5 мл), в четвертой вода оставалась чистой. Растительное масло
в нашем опыте имитировало нефть. Засекалось время, через каждые 15 минут снимались
показания термометров, помещенных во все жидкости. Результаты измерений
зафиксированы в таблице.
Время
Температура
чистой воды,
0
С
Температура
воды с
бензином,
0
С
Температура
воды с
керосином,
0
С
Температура
воды с
растительным
маслом,
0
С
14:15
37
37
37
37
14:30
33
34
34
35
14:45
30
32
32
33
15:00
26
28
28
31
При испарении из воды вылетают отдельные молекулы. Так как вода, покрытая
пленкой бензина, керосина и растительного масла, остывает медленнее, то можно судить о
том, что и молекулам кислорода труднее проникнуть в воду: рыбы и другие водные
обитатели испытывают недостаток кислорода и могут даже погибнуть.
Таким образом, наличие различных веществ на поверхности воды нарушает процессы
диффузии и может привести к нежелательным экологическим последствиям.
5
Поэтому нежелательны всякие ограничения свободной поверхности воды. Так,
например, листья или ряска, покрывающие поверхность воды, могут совсем прекратить
доступ кислорода к воде и привести к гибели ее обитателей. По этой же причине сосуды с
узким горлом непригодны для использования в качестве аквариума.
§4 Влияние диффузии на жизнедеятельность человека
На явлении диффузии основаны многие физиологические процессы, происходящие в
организме человека: такие как дыхание, всасывание питательных веществ в кишечнике и
др. Мы можем защитить себя от многих болезней путем приема лекарств, которые
усваиваются организмом тоже благодаря диффузии.
Диффузия находит широкое применение в различных сферах деятельности человека.
На этом явлении основана диффузионная сварка металлов. Детали помещают в закрытую
сварочную камеру с сильным разряжением, сдавливают и нагревают до 800 градусов. При
этом происходит интенсивная взаимная диффузия атомов материалов. Диффузионная сварка
применяется в основном в электронной и полупроводниковой промышленности, точном
машиностроении.
Явление диффузии используется также для получения сахарного сока из
свекловичной стружки, нагреваемой вместе с водой.
Человек научился использовать свойства диффузии и для обеспечения собственной
безопасности. Природный горючий газ, которым мы пользуемся дома, не имеет ни цвета ни
запаха. При утечке заметить его невозможно, поэтому на распределительных станциях газ
смешивают с особым веществом, обладающим резким, неприятным запахом, который легко
ощущается человеком.
§5 Вредное проявление диффузии
К сожалению, в результате развития человеческой цивилизации оказывается
негативное влияние на природу и процессы, протекающие в ней. Процесс диффузии играет
большую роль в загрязнении рек, морей, океанов. Загрязнение водоемов приводит к тому,
что в них исчезает жизнь. Кроме того, в загрязненной воде происходят химические реакции с
выделением тепла. Температура воды повышается, при этом снижается содержание
кислорода в воде, что плохо для водных организмов.
Вследствие явления диффузии воздух загрязняется отходами разных фабрик,
выхлопными газами, из-за него вредные отходы жизнедеятельности человека проникают в
почву, воду, а затем оказывают вредное влияние на жизнь и функционирование животных и
растений.