Что такое диффузия физика седьмой 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.
Что такое диффузия физика седьмой класс
Диффузия — явление проникновения молекул одного вещества в промежутки между молекулами другого вещества.
Мы ощущаем запах духов на некотором расстоянии от флакона. Это объясняется тем, что молекулы духов, так же как и молекулы воздуха, движутся. Между молекулами существуют промежутки. Молекулы духов проникают в промежутки между молекулами воздуха, а молекулы воздуха — в промежутки между молекулами духов.
Опыты показывают, что диффузии в газах — самый быстрый процесс, в жидкостях он протекает гораздо медленнее, но может наблюдаться даже в твердых телах. Соединив гладко отполированными поверхностями два бруска из разных металлов, например из меди и алюминия, и оставив их в таком положении на длительное время (на 4—5 лет), мы обнаружим их сращивание за счет проникновения атомов меди в алюминиевый образец и, наоборот, проникновения атомов алюминия в медный.
Диффузия в газах происходит быстрее, чем в жидкостях, потому, что газы имеют меньшую плотность, чем жидкости, т.е. молекулы газов расположены на больших расстояниях друг от друга. Ещё медленнее происходит диффузия в твёрдых телах, поскольку молекулы твёрдых тел находятся ещё ближе друг к другу, чем молекулы жидкостей.
Скорость диффузии зависит не только от агрегатного состояния вещества, но и от температуры. При более высокой температуре диффузия будет происходить быстрее. Это происходит потому, что при повышении температуры быстрее движутся молекулы. Скорость движения молекул и температура тела взаимосвязаны. Чем больше средняя скорость движения молекул тела, тем выше его температура.
Проявление диффузии: окрашивание, склеивание, проникновение питательных веществ из кишечника в кровь.
Конспект урока «Диффузия. Взаимодействие молекул».
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
Диффузия в газах, жидкостях и твердых телах. Физика. 7 класс. Разработка урока
Цели урока:
Задачи урока: сформировать понятие о диффузии в жидкостях, твердых телах и газах; в целях развития научного мировоззрения учащихся показать роль физического эксперимента и наблюдений в физике; развивать умения выделять общие признаки явлений.
Тип урока: комбинированный.
ТСО: компьютер, экран, проектор.
Оборудование: (15 шт.)
Используемые источники:
Интернет-ресурсы:
Ход урока
1. Организационный момент (слайд 1)
Современному человеку нельзя обойтись без знаний основ физики, чтобы иметь правильное представление об окружающем нас мире. Сегодня вы много узнаете о законах природы, покорите еще одну вершину «Знаний». Джина «Познания», однажды выпущенного на волю, невозможно опять вернуть в пустую, заплесневелую бутылку. Да мы и не будем пытаться делать это. Пусть будет свободным, как полет вашей мысли и фантазии!
2. Повторение (фронтальный опрос) (слайды 2–6)
Пример №1: в 1 см³любого газа при нормальных условиях (0° С и 760 мм рт. ст.)содержится около 2,7 • 10 19 молекул.
Пример № 2: если взять число кирпичей, равное числу молекул в 1 см 3 газа при нормальных условиях, то, будучи плотно уложены, эти кирпичи покрыли бы поверхность всей суши земного шара слоем высотой 120 м, т. е. высотой, превосходящей почти в четыре раза высоту 10-этажного дома.
3. Новая тема (выполнение эксперимента и беседа с учащимися)
Задание № 1 (слайд 7)
Если открыть пробирку с ватой, смоченной нашатырным спиртом, то мы почувствуем запах, который распространяется по классу. Это происходит, потому что молекулы спирта постоянно движутся. Движение молекул нельзя обнаружить ни в лупу, ни в микроскоп. Двигаясь в воздухе, молекулы спирта сталкиваются с молекулами газов, входящих в состав воздуха (азотом, кислородом, углекислым газом). При этом они постоянно меняют направление движения, и беспорядочно перемещаясь, разлетаются по комнате. Поэтому, двигаясь очень быстро, молекулы спирта доносят запах до разных концов довольно медленно.
Задание № 2 (слайд 8)
При обсуждении результатов опыта внимание учащихся я обращаю на появление окрашенного пятна в форме круга, подтверждающего беспорядочное движение молекул марганца.
Вывод: Мы с вами знаем, что все тела состоят из отдельных частиц (молекул), между ними есть промежутки. Частицы движутся беспорядочно и хаотично. При своем движении молекулы марганца проникают в промежутки между молекулами воды.
В физике это явление названо диффузией (лат. diffusio — распространение, растекание, рассеивание).
ДИФФУЗИЯ – это взаимное проникновение молекул одного вещества в межмолекулярные промежутки другого вещества в результате их хаотического движения и столкновений друг с другом.
Сделайте вывод, где происходит диффузия быстрее: в газах или в жидкостях?
Диффузия в газах происходит быстрее, чем в жидкостях.
Как вы думаете, почему?
– Происходит ли диффузия в твердых телах? (Слайды 15, 16.)
В твердых телах диффузия происходит, но медленнее, чем в жидкостях. В твердых телах расстояния между частицами совсем маленькие. Они такие же, как размеры самих частиц. Проникновение через такие малые промежутки частиц другого вещества крайне затруднено и поэтому происходит очень медленно.
Запах духов, как известно, ощущается на довольно большом расстоянии. Объясняется это тем, что пары духов легко диффундируют в воздухе. Капли жидкого красителя в воде также легко диффундируют по всему сосуду. Намного труднее наблюдать диффузию в твёрдом теле. По этой причине изучение диффузии в твёрдых телах стало одним из наиболее интересных исследований в физике наших дней. Как и во многих других областях человеческой деятельности, в данном случае умение предшествовало знанию. Столетиями рабочие сваривали металлы и получали сталь нагреванием твёрдого железа в атмосфере углерода, не имея ни малейшего представления о происходящих при этом диффузионных процессах. Лишь в 1896 году началось научное изучение проблемы.
Английский металлург Вильям Роберте – Аустин в простом эксперименте измерил диффузию золота в свинце. Он наплавил тонкий диск золота на конец цилиндра из чистого свинца длиной в 1 дюйм (2,45 см), поместил этот цилиндр в печь, где поддерживалась температура около 200 °С, и держал его в печи 10 дней. Затем он разрезал цилиндр на тонкие диски и измерил количество золота, которое продиффундировало (проникло) в каждый срез свинца. Оказалось, что к «чистому» концу через весь цилиндр прошло вполне измеримое количества золота, в противоположном направлении, в глубь золотого диска, продиффундировал свинец. Роберте – Аустин обнаружил, что нагретый металл диффундирует в другой конец, когда они тесно прижаты друг к другу.
Известен опыт, в котором гладко отшлифованные пластины свинца и золота пролежали друг на друге 5 лет. За это время золото и свинец продиффундировали (проникли) друг в друга на расстояние около 1 мм.
Задание № 3 (слайд 17)
Сделайте вывод, как зависит скорость диффузии от температуры: «Чем выше температура, тем… проходит диффузия».
– Почему при более высокой температуре диффузия происходит быстрее?
Процесс диффузии ускоряется с увеличением температуры. Это происходит потому, что с увеличением температуры увеличивается скорость движения молекул. Таким образом, явление диффузии протекает по-разному при разной температуре: чем выше температура вещества, тем быстрее происходит диффузия.
– Давайте обобщим все то, о чем мы говорили на уроке (слайд 18).
Явление диффузии можно объяснить лишь в том случае, если считать, что:
Явление диффузии имеет важные проявления в природе, используется в науке и на производстве (слайд 19).
Воздух, как известно, представляет собой смесь газов. Однако вследствие диффузии на одной высоте от Земли состав атмосферы оказывается достаточно однородным.
Диффузия играет важную роль в питании растений, переносе питательных веществ, кислорода в организме человека и животных.
Она широко используется в пищевой промышленности при консервировании овощей и фруктов, при засолке огурцов.
Диффузия нашла применение в электронной промышленности. С ее помощью изготавливают многие полупроводниковые приборы.
Диффузия используется и при выплавке стали. Для придания стальным деталям значительной прочности их помещают в специальные печи, где, находясь в разогретом состоянии, они насыщаются углеродом. Атомы углерода проникают в поверхностный слой металла и повышают его прочность.
Порою диффузия бывает вредным и даже опасным явлением. Горючий природный газ, например, которым мы пользуемся дома для приготовления пищи, не имеет ни цвета, ни запаха, поэтому трудно сразу заметить его утечку. А при утечке за счёт диффузии газ распространяется по всему помещению. Между тем при определённом соотношении газа с воздухом в закрытом помещении образуется смесь, которая может взорваться, например, от зажжённой спички. Газ может вызвать и отравление людей.
Чтобы сделать поступление газа в помещение заметным, на распределительных станциях горючий газ предварительно смешивают с особыми веществами, обладающими резким неприятным запахом, который легко ощущается человеком даже при весьма малой его концентрации. Такая мера предосторожности позволяет быстро заметить накопление газа в помещении, если образовалась его утечка.
Работа в группах (слайд 22)
Обсуждение результатов, полученных в группах.
4. Закрепление
Подумай и ответь (слайд 23)
Тест на усвоение понятия «диффузия» (слайд 24)
Условия прохождения диффузии:
а) имеются различные вещества;
б) между ними существует тесный контакт;
в) происходит самопроизвольное смешивание.
Закон прохождения диффузии— чем выше температура, тем быстрее происходит диффузия.
Рассмотрите следующие опыты и выберите ответ. Опыты:
А. Наблюдается диффузия, так как выполняются все условия.
Б. Диффузии нет, так как отсутствует условие а).
В. Диффузии нет, так как отсутствует условие б).
Г. Диффузии нет, так как отсутствует условие в).
Д. Опыт отражает закон диффузии.
ОТВЕТЫ: 1Д; 2А; 3В; 4Б; 5Г
Домашняя работа §9, домашний эксперимент.
(Слайд 25, гиперссылка.)
Выполнение учебного исследования по общему плану экспериментальной деятельности (эксперимент).
Лабораторная работа «Определение времени прохождения диффузии»
Цель:определить при каких температурах, высоких или низких, диффузия происходит быстрее.
Приборы:термометр, часы.
Тела и материалы: 2 стакана; марганцовокислый калий или медный купорос; вода.
Гипотеза: предполагаем, что при высоких температурах диффузия будет происходить быстрее.
Условия успешного проведения опыта:
Порядок выполнения:
Фиксирование информации:
При какой температуре диффузия происходит быстрее? Что происходит с молекулами вещества при нагревании, как изменяется их скорость и проникающая способность?
Опишите и сделайте вывод.