Что такое диффузия 7 класс
Диффузия: причины, особенности процесса, примеры в природе
Содержание:
Определение
Само слово «диффузия» латинского происхождения – «diffusio» в переводе с латыни означает «распространение, рассеивание». В физике под диффузией подразумевается процесс взаимопроникновения микрочастиц при соприкосновении разных материалов. Академическое определение того, что такое диффузия, звучит следующим образом: «Диффузия – это взаимное проникновение молекул одного вещества в межмолекулярные промежутки другого вещества вследствие их хаотичного движения и столкновения друг с другом». Какие свойства диффузии, причины ее возникновения, как проявляется этот процесс в разных веществах, об этом читайте далее.
Причины
Причиной возникновения диффузии является тепловое движение частиц (атомов, молекул, ионов и т. д.).
Чтобы более детально понять, как работают механизмы диффузии, рассмотрим это явление на конкретном примере. Если взять перманганат калия (в народе более известен как марганцовка) (KMnO4) и растворить в воде (H2O), то марганцовка в результате диссоциации распадется на K+ и MnO4-. Также важно заметить что молекула воды поляризирована и существует в виде сцепленных ионов H+ – OH-.
Из-за растворения марганцовки в воде произойдет хаотическое перемещение ионов обоих веществ, вследствие чего сцепленные ионы воды поменяют свой цвет и освободят место для других, еще не реагировавших ионов. Вода поменяет свой окрас и получит специфические свойства. Между водой и марганцовкой совершится диффузия.
Вот так этот процесс выглядит схематически.
Причем движимые частицы во время диффузии, всегда распространяются равномерно по всему предоставленному объему. Сам процесс диффузии занимает определенное время.
Также важно знать, что явление диффузии происходит далеко не со всеми веществами. Например, если воду перемешать не с марганцовкой, а с маслом, то диффузии между ними не будет, так как молекулы масла электрически нейтральны. Образованию какого-то соединения с молекулами воды помешают сильные связи внутри молекулы масла.
Еще стоит заметить, что скорость диффузии значительно увеличится при увеличении температуры, что вполне логично, ведь с увеличением температуры возрастет скорость движения частиц внутри вещества и как следствие, повышается шанс их проникновения в молекулы другого вещества.
Формула
Процесс диффузии в двухкомпонентной системе записывается при помощи закона Фика, и соответствующего уравнения:
В этом уравнении J – плотность материала, D – коэффициент диффузии, а ac/dx – градиент концентрации двух веществ.
Коэффициентом диффузии называют физическую величину, которая численно равна количеству диффундирующего вещества, которое проникает за единицу времени через единицу поверхности, если разность плотностей на двух поверхностях, находящихся на расстоянии равном единице длины, равна единице. Важно заметить, что коэффициент диффузии зависит от температуры.
В твердых телах
В твердых телах диффузия происходит очень медленно, если вообще происходит. Ведь для твердых тел характерно наличие кристаллической решетки, а все частицы расположены упорядочено.
Примером диффузии твердых тел может быть золото и свинец. Расположенные на расстояние 1 метра друг от друга, при комнатной температуре в 20 С, эти вещества будут понемногу проникать друг в друга, но будет это все идти очень медленно, подобная диффузия станет заметной не ранее чем через 4-5 лет.
В жидкостях
Скорость протекания диффузии в жидкостях в разы выше, нежели в твердых телах. Связи между частицами в жидкости гораздо слабее (обычно их энергии хватает максимум на образование капель), и взаимному проникновению частиц в молекулы двух веществ ничто не мешает.
Правда то, как быстро будет проходить диффузия, зависит от характера и консистенции жидкостей, в более густых растворах она происходит медленнее, ведь чем гуще жидкость, тем более сильные в ней связи между молекулами и тем труднее молекулам и частицам проникать друг в друга. Например, смешивание двух жидких металлов может занять несколько часов, в то время как смешивание воды и марганцовки (из примера выше) осуществляется за минуту.
В газах
В газах диффузия происходит еще быстрее, чем в жидкости, связи между частицами газообразных веществ практически отсутствуют, и никак не сцепленные частицы легко перемешиваются друг с другом, проникая в молекулы других газов. Небольшие коррективы при диффузии газов может вносить разве только гравитация.
Примеры в окружающем мире
Значимый биологический процесс – фотосинтез осуществляется, в том числе и при помощи диффузии: как мы знаем, благодаря энергии солнечного света вода разлагается хлорофиллами на составляющие, кислород, который выделяется при этом, попадает в атмосферу и поглощается всеми живыми организмами. Так вот, и сам процесс поглощения кислорода человеком и животными, и обмен веществ у растений, все это поддерживается диффузией, без которой не могла бы существовать сама Жизнь.
Но это в глобальном плане, в более простых вещах, мы можем наблюдать диффузию:
Таких примером можно приводить еще много.
Видео
И в завершение образовательное видео по теме нашей статьи.
Автор: Павел Чайка, главный редактор журнала Познавайка
При написании статьи старался сделать ее максимально интересной, полезной и качественной. Буду благодарен за любую обратную связь и конструктивную критику в виде комментариев к статье. Также Ваше пожелание/вопрос/предложение можете написать на мою почту pavelchaika1983@gmail.com или в Фейсбук, с уважением автор.
Эта статья доступна на английском языке – Diffusion.
Диффузия
Содержание
Моделью вещества, состоящего из постоянно движущихся молекул, объясняются некоторые физические явления. К примеру, диффузия — проникновение молекул одного вещества в молекулы другого. Рассмотрим данное явление подробнее.
Начнем с газообразных тел. Представьте, что вы сидите за уроками в своей комнате и вдруг почувствовали вкусный запах с кухни. Почему это произошло? Блюдо, которое готовится к обеду, состоит из большого числа молекул, которые все время движутся и сталкиваются: мясо, масло, специи.
При нагревании отдельные молекулы отделились от остальных, смешавшись с молекулами воздуха и стали перемещаться по квартире. Это явление уже упоминавшейся диффузии — взаимное проникновение молекул разных веществ.
Диффузия может происходить в жидкостях и даже в твердых телах, но только значительно медленнее.
Другой вопрос: почему же запахи не доносятся до нас мгновенно? Мы уже упоминали о беспрерывном и хаотичном движении молекул воздуха. таким образом, молекулы постоянно сталкиваются, меняют свое направление, и беспорядочно перемещаясь, разлетаются по помещению.
Рассмотрим опыт, который покажет нам, что молекулы, из которых состоят тела, находятся в беспорядочном движении и в жидких телах (рисунок 12).
Рисунок 12. Иллюстрация опыта с водой и медным купоросом.
Для начала нальем в стакан раствор медного купороса темно-голубого цвета (часто используется как бытовой антисептик). Затем аккуратно нальем в этот же стакан воды.
Вначале между жидкостями будет видна резкая граница, но со временем она будет размываться. Через 2-3 недели граница исчезнет совсем: процесс диффузии завершится.
Если рассмотреть данный процесс на молекулярном уровне (рисунок 13), то прекрасно видно, что молекулы воды и медного купороса на границе раздела этих двух жидкостей начинают меняться местами, а со временем жидкость в стакане и вовсе станет однородной.
Рисунок 13. Диффузия в жидкостях (раствор медного купороса и вода).
Рисунок 14. Диффузия в твердых телах (золото и свинец).
Диффузия — это явление, при котором происходит взаимное проникновение молекул одного вещества между молекулами другого
Как мы уже говорили, явление диффузии объясняется непрерывным хаотичным движением молекул, в процессе которого молекулы одного вещества проникают в межмолекулярные промежутки другого.
Процесс диффузии напрямую зависит от температуры, т.к. с увеличением температуры увеличивается скорость движения молекул.
Процесс диффузии окружает нас как в повседневной жизни, так и в природе. Зачем мы завариваем чай в кипятке, ведь потом нужно ждать, пока он остынет? Почему не разогреть воду только до комфортной температуры?
Ответ — чтобы ускорить процесс диффузии. В кипятке диффузия между молекулами чая, сахара и воды будет происходить намного быстрее, и чай заварится быстрее и лучше.
В промышленности диффузия широко используется в технике при сварке деталей, склеивании. В природе благодаря диффузии поддерживается однородный состав атмосферного воздуха рядом с поверхностью Земли, а диффузия солей в почве позволяет растениям получать нормальное питание.
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.
Содержание
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:
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.
Нескучный урок физики в 7-м классе по теме: «Диффузия»
Разделы: Физика
Тип урока: комбинированный.
Ход урока.
1. Оргмомент
2. Повторение
(На столе листы с текстом физического диктанта (1-2 вариант). Школьники записывают под соответствующим номером «да», если они считают это утверждение верным, или «нет», если считают его неверным)
3. Основной материал.
Урок начинаю с распыления освежителя; в случае, если ученик почувствовал запах, он должен встать. Таким образом, постепенно, через пару минут, встанут все учащиеся класса. Они безошибочно определят, что за освежитель был распылен.
У меня на столе в высокий стакан налиты две жидкости: снизу голубой раствор медного купороса, сверху – вода; между ними резкая граница. Если купорос и вода способны самопроизвольно смешаться, то граница между ними должна исчезнуть. Предлагаю ученикам следить за этой границей между жидкостями.
В это время демонстрирую диффузию газов на следующем опыте: к внутренним стенкам высокого цилиндрического сосуда прикрепляю смоченные фенолфталеином полоски белой бумаги. Цилиндр закрываю сверху картоном с прикрепленным к нему кусочком ваты, смоченной нашатырным спиртом. Газ аммиак диффундирует вниз. Если аммиак и воздух перемешиваются, то рано или поздно полоски бумаги окрасятся в ярко-малиновый цвет.
Предлагаю также следить за их цветом.
Хорошо очищенные и плотно прижатые друг к другу пластины из золота и свинца диффундируют на глубину 1мм за 5 лет.
Демонстрация диффузии кристаллов йода на стекле под слоем парафина.
(парафин около кристалликов йода окрасился в коричневый цвет)
Учитель: Итак, что же произошло за это время в первых двух экспериментах?
Учащиеся: Граница между жидкостями не изменилась, а листочки окрасились, т.е. аммиак и воздух перемешались в сосуде.
Учитель: Однако смотрите, что получилось в стакане, куда аккуратно налили купорос и воду неделю назад.
Учащиеся: Граница размыта, купорос и вода перемешались.
Учитель: Сформулируйте ответ, вытекающий из наблюдений и опытов.
Учащиеся: Если привести в соприкосновение твердые тела, жидкости или газы из разных веществ, то они сами собой смешиваются.
Учитель: Мы познакомились с новым явлением, в физике оно известно под названием ДИФФУЗИЯ.
(Работа с учебником, запись определения в тетрадь.)
Явление, при котором происходит самопроизвольное взаимное проникновение молекул одного вещества между молекулами другого, называют диффузией
(В итоге, в тетради обучающихся и на доске создается опорный конспект. Смотри приложение №1.)
(Достаточно эффектно видно, как проникают крупинки пшена в промежутки между горошинами)
После проведенного эксперимента и беседы с учащимися подчеркиваю, что явление диффузии происходит без вмешательства извне, за счет движения самих молекул, т.е. может быть объяснено только тем, что молекулы беспрерывно и беспорядочно движутся и сталкиваются.
Учитель: Как будет вести себя маленькая частичка нерастворимого вещества в жидкости, если окружающие ее молекулы жидкости непрерывно и беспорядочно движутся?
Учащиеся: Молекулы, окружающие частицу, движутся в разных направлениях, часть из них ударяются о частицу. Поскольку частица маленькая, она может двигаться под действием этих ударов. Т.к. молекулы движутся беспорядочно, то число ударов с разных сторон в один и тот же момент различно, и частица будет двигаться то в одну, то в другую сторону, беспорядочно.
(демонстрация с помощью прибора «Модель броуновского движения»)
Явление беспорядочного движения взвешенных нерастворимых частиц вещества в жидкости или газе называют броуновским движением.
Откуда такое название, вы узнаете дома из учебника. Пронаблюдать броуновское движение можно под микроскопом, на перемене это каждый сможет сделать.
Различие в скорости протекания диффузии твердых тел, жидкостей и газов объясняют ученики.
4. Закрепление.
5. Итоги урока
Методическая разработка к уроку «Диффузия» (7 класс)
«Управление общеобразовательной организацией:
новые тенденции и современные технологии»
Свидетельство и скидка на обучение каждому участнику
Методическая разработка урока физики
«Диффузия в газах, жидких и твердых телах»
УМК: Перышкин А.В. физика
Техническое оснащение: доска, проектор, презентация, 2 мензурки, вода, 2 пакетика чая, термос с горячей водой, пузырек с духами.
Формы организации учебной деятельности: в парах, индивидуальная, эксперимент.
Цель урока: изучение диффузии в газах, жидких и твердых телах.
§ Сформировать знания учащихся о явлении диффузии и закономерностях ее протекания в различных средах;
§ Научиться объяснять явления диффузии в различных средах и скорости ее протекания в зависимости от температуры тела;
§ Учувствовать в коллективном обсуждении проблем;
§ Формировать целеполагание как постановку учебной задачи на основе соотнесения того, что уже изученно раннее, и того, что неизвестно;
§ Формирование самостоятельности и практических умений;
§ Формирование умений выражать свои мысли, выслушивать собеседника.
Описание элемента урока:
(знакомство с темой урока по средствам эксперимента)
В древности люди полагали, что нашей вселенной руководят стихии веществ: огонь, вода, воздух, земля. Люди складывали легенды о чудесных превращениях веществ. В Древней Греции ученый Демокрит спросил однажды своих учеников: «Возможно ли наполнить сосуд камнями, песком, водой и воздухом не опустошая сосуд?» А вы как думаете?
С помощью анимированной презентации учащиеся отвечают на вопросы известного физика Альберта Эйнштейна о диффузии. За каждый правильный ответ ученики класса будут получать необходимое оборудование для опыта. (мензурки, пакетики чая, колба с водой)(слайд 1-5)
1) Возьмем флакон с духами и откроем его, что мы почувствуем?
(Ученик: запах духов)
2) Как вы думаете почему так происходит?
(Ученик: воздух состоит из молекул)
3) Почему мы так быстро ощущаем запах духов?
(Ученик: потому что молекулы быстро двигаются)
4) Воздух состоит из молекул, а аромат духов из чего состоит?
(Ученик: аромат духов состоит из молекул)
5) А как молекулы воздуха и аромата духов взаимодействую между собой?
(Ученик: молекулы духов сталкиваются на своем пути с молекулами воздуха)
Все оборудование для эксперимента собрано. Время провести ряд опытов. Для проведения опыта я приглашаю профессора Мари Кюри. (учитель одевает белый халат и бутафорские очки)
— Я не только ученый, я женщина. Обратите внимание, что у меня есть. Да, это духи!
(учитель открывает флакон духов, дети ощущают запах, учитель проходит по классу)
На слайде презентации демонстрируется явление диффузии в газах. На магнитной доске появляется вывод «Диффузия в газах»
— Для следующего опыта я нужен ассистент. Учитель приглашает ученика из класса.
— Как вы думаете, что нам нужно сделать?
(Ученик: заварить чай)
Правильно! Ученик наполняет первую мензурку холодной водой, а учитель другую мензурку горячей водой. Далее одновременно помещаем пакетики чая в каждую из мензурок и наблюдаем.
— Что мы можем отметить?
(Ученики: чай быстрее заваривается в горячей воде)
— Правильно! Из чего состоит вода и чай?
Посмотрим на две мензурки и сделаем вывод. Что мы можем сказать о температуре веществ? Какой водой легче заваривать чай?
На магнитной доске размещаем вывод «Диффузия в жидкостях»
(Ученик: чем выше температура, тем быстрее двигаются молекулы в веществе, а значит быстрее взаимодействуют молекулы одного вещества с молекулами другого вещества) (слайд 6)
— Отлично! Мы рассмотрели газ и жидкость, теперь рассмотрим твердое тело.
Обратите внимание на слайд, представлен брусок из 2-х различных материалов (свинец и золото). Молекулы свинца и молекулы золота будут взаимодействовать в течение 5, что мы можем заметить после взаимодействия?
(ученик: четкая граница металлов исчезнет, трудно определить, где золото, а где свинец)
-Что поможет ускорить этот процесс взаимодействия?
(ученик: нагреть бруски)
Взаимное проникновение молекул одного вещества в другое вещество называется диффузией. Как диффузия от температуры вещества?
(учитель: чем больше температура, тем быстрее протекает диффузия)
На доске следующий вывод «Диффузия в твердом теле»
— И сейчас я вас порошу помочь мне с моей докторской диссертацией на Нобелевскую премию в области физики на тему диффузии. Поработаем в парах и заполним таблицу по нашим экспериментам (таблица №1).