Aloita tieteestä. Diffuusio kaasuissa, nesteissä ja kiinteissä aineissa

Molekyylien diffuusionopeuden riippuvuus aineen lämpötilasta Molekyylien diffuusionopeuden riippuvuus aineen lämpötilasta Projektin kirjoittaja: Maxim Karapuzov, 7. luokan oppilas Projektin kirjoittaja: Maxim Karapuzov, 7. luokan oppilas MBOU "SECONDARY EDUCATIONAL KOULU 40" BELGORODSKIIN PIIRI, STARY OSCOL Ohjaaja: Gavryushina Ljudmila Konstantinovna , fysiikan opettaja, fysiikan opettaja, MBOU "KESKOULU 40" BELGORODSKY PIIRIN STARY Oskol






Ongelmailmoitus Miksi aineet sekoittuvat? Miksi aineet sekoittuvat? Mikä on diffuusion rooli ympärillämme olevassa maailmassa? Mikä on diffuusion rooli ympärillämme olevassa maailmassa? Mistä diffuusioprosessi riippuu? Mistä diffuusioprosessi riippuu?










Tulosten tulkinta Diffuusio on aikaprosessi. Diffuusion kesto riippuu lämpötilasta ja aineen tyypistä: mitä korkeampi lämpötila, sitä nopeampi diffuusioprosessi. Kokeiden tuloksena olin vakuuttunut siitä, että esittämäni hypoteesi vahvistui täysin. Itse asiassa lämpötilan noustessa molekyylien diffuusio nesteessä tapahtuu nopeammin. Mitä suurempi kehon molekyylien keskimääräinen liikenopeus on, sitä korkeampi on sen lämpötila

Fysiikan lukuisista ilmiöistä diffuusioprosessi on yksi yksinkertaisimmista ja ymmärrettävimmistä. Loppujen lopuksi joka aamu, kun valmistetaan aromaattista teetä tai kahvia, henkilöllä on mahdollisuus tarkkailla tätä reaktiota käytännössä. Opitaan lisää tästä prosessista ja sen esiintymisen edellytyksistä eri aggregaatiotiloissa.

Mikä on diffuusio

Tämä sana viittaa yhden aineen molekyylien tai atomien tunkeutumiseen toisen samanlaisten rakenneyksiköiden väliin. Tässä tapauksessa tunkeutuvien yhdisteiden pitoisuus tasataan.

Tämän prosessin kuvasi ensin yksityiskohtaisesti saksalainen tiedemies Adolf Fick vuonna 1855.

Tämän termin nimi on johdettu latinan sanasta diffusio (vuorovaikutus, dispersio, jakautuminen).

Diffuusio nesteessä

Tarkasteltava prosessi voi tapahtua aineilla, jotka ovat kaikissa kolmessa aggregaatiotilassa: kaasumaisessa, nestemäisessä ja kiinteässä. Jos haluat löytää käytännön esimerkkejä tästä, katso keittiöön.

Yksi niistä on liedellä kiehuva borssi. Lämpötilan vaikutuksesta glukosiinibetaniinin (aine, joka antaa punajuurille niin rikkaan helakanpunaisen värin) molekyylit reagoivat tasaisesti vesimolekyylien kanssa antaen sille ainutlaatuisen viininpunaisen sävyn. Tämä tapaus on nesteissä.

Borschtin lisäksi tämä prosessi näkyy myös lasissa teetä tai kahvia. Molemmilla näistä juomista on niin yhtenäinen, rikas sävy, koska kahvi tai veteen liukenevat hiukkaset leviävät tasaisesti molekyylien välillä värittäen sitä. Kaikkien 1990-luvun suosittujen pikajuomien toiminta perustuu samaan periaatteeseen: Yupi, Invite, Zuko.

Kaasujen tunkeutuminen toisiinsa

Hajua kantavat atomit ja molekyylit ovat aktiivisessa liikkeessä ja sen seurauksena sekoittuvat ilmassa jo olevien hiukkasten kanssa ja jakautuvat melko tasaisesti koko huoneeseen.

Tämä on osoitus diffuusiosta kaasuissa. On syytä huomata, että itse ilman hengittäminen liittyy myös tarkasteltavaan prosessiin, samoin kuin keittiössä juuri valmistetun borssin herkullinen tuoksu.

Diffuusio kiinteissä aineissa

Keittiön pöytä, jolla on kukkia, on peitetty kirkkaankeltaisella pöytäliinalla. Se sai samanlaisen sävyn kiinteiden aineiden diffuusiokyvyn vuoksi.

Prosessi, jolla kankaalle annetaan yhtenäinen sävy, tapahtuu useissa vaiheissa seuraavasti.

  1. Keltaisen pigmentin hiukkaset diffundoituivat väriainesäiliössä kohti kuitumateriaalia.
  2. Sitten ne imeytyivät värjättävän kankaan ulkopintaan.
  3. Seuraava askel oli väriaineen levittäminen uudelleen, mutta tällä kertaa kankaan kuituihin.
  4. Lopuksi kangas kiinnitti pigmenttihiukkasia, jolloin se värjäytyi.

Kaasujen diffuusio metalleissa

Yleensä, kun puhutaan tästä prosessista, otamme huomioon aineiden vuorovaikutukset identtisissä aggregaatiotiloissa. Esimerkiksi diffuusio kiintoaineissa, kiinteät aineet. Tämän ilmiön todistamiseksi suoritetaan koe kahdella metallilevyllä (kulta ja lyijy) painettuna toisiaan vasten. Niiden molekyylien tunkeutuminen tapahtuu melko pitkään (yksi millimetri viidessä vuodessa). Tätä menetelmää käytetään epätavallisten korujen valmistukseen.

Kuitenkin yhdisteet, jotka ovat eri aggregaatiotilassa, voivat myös diffuusoitua. Esimerkiksi kiinteissä aineissa tapahtuu kaasujen diffuusiota.

Kokeiden aikana osoitettiin, että samanlainen prosessi tapahtuu atomitilassa. Sen aktivoimiseksi tarvitaan yleensä merkittävää lämpötilan ja paineen nousua.

Esimerkki tällaisesta kaasudiffuusiosta kiinteissä aineissa on vetykorroosio. Se ilmenee tilanteissa, joissa jossain kemiallisessa reaktiossa syntyneet vetyatomit (H2) tunkeutuvat korkeiden lämpötilojen (200 - 650 celsiusastetta) vaikutuksesta metallin rakenteellisten hiukkasten väliin.

Vedyn lisäksi kiinteissä aineissa voi tapahtua myös hapen ja muiden kaasujen diffuusiota. Tämä silmälle näkymätön prosessi tuo paljon haittaa, koska metallirakenteet voivat romahtaa sen takia.

Nesteiden diffuusio metalleissa

Kuitenkaan kaasumolekyylit eivät voi tunkeutua kiinteisiin aineisiin, vaan myös nesteisiin. Kuten vedyn tapauksessa, tämä prosessi johtaa useimmiten korroosioon (jos puhumme metalleista).

Klassinen esimerkki nesteiden diffuusiosta kiinteissä aineissa on metallien korroosio veden (H 2 O) tai elektrolyyttiliuosten vaikutuksesta. Useimmille tämä prosessi on tutumpi nimellä ruoste. Toisin kuin vetykorroosio, käytännössä sitä kohdataan paljon useammin.

Edellytykset diffuusion kiihdyttämiselle. Diffuusiokerroin

Kun olet selvittänyt, missä aineissa kyseinen prosessi voi tapahtua, kannattaa ottaa selvää sen esiintymisen edellytyksistä.

Ensinnäkin diffuusion nopeus riippuu aggregaatiotilasta, jossa vuorovaikutuksessa olevat aineet ovat. Mitä suurempi reaktio tapahtuu, sitä hitaampi sen nopeus.

Tässä suhteessa diffuusio nesteissä ja kaasuissa on aina aktiivisempaa kuin kiinteissä aineissa.

Jos esimerkiksi kaliumpermanganaatti KMnO 4 (kaliumpermanganaatti) kiteitä heitetään veteen, ne antavat sille kauniin karmiininpunaisen värin muutamassa minuutissa. Jos kuitenkin ripottelet KMnO 4 -kiteitä jääpalalle ja laitat ne kaikki pakastimeen, kaliumpermanganaatti ei pysty värjäämään jäätynyttä vettä kokonaan usean tunnin kuluttua.

Edellisestä esimerkistä voimme tehdä toisen johtopäätöksen diffuusion ehdoista. Aggregaatiotilan lisäksi lämpötila vaikuttaa myös hiukkasten tunkeutumisnopeuteen.

Harkittavan prosessin riippuvuuden huomioon ottamiseksi on syytä oppia sellainen käsite kuin diffuusiokerroin. Tämä on sen nopeuden kvantitatiivisen ominaisuuden nimi.

Useimmissa kaavoissa se on merkitty isolla latinalaisella kirjaimella D ja SI-järjestelmässä se mitataan neliömetrinä sekunnissa (m²/s), joskus senttimetreinä sekunnissa (cm 2 /m).

Diffuusiokerroin on yhtä suuri kuin aineen määrä, joka on sironnut yksikköpinnan läpi aikayksikön aikana, edellyttäen, että tiheyksien ero molemmilla pinnoilla (sijaitsee yksikön pituutta vastaavalla etäisyydellä) on yhtä suuri kuin yksikkö. Kriteerit, jotka määrittävät D:n, ovat sen aineen ominaisuudet, jossa itse hiukkasten leviämisprosessi tapahtuu, ja niiden tyyppi.

Kertoimen riippuvuus lämpötilasta voidaan kuvata Arrhenius-yhtälön avulla: D = D 0exp (-E/TR).

Tarkastetussa kaavassa E on vähimmäisenergia, joka tarvitaan prosessin aktivoimiseen; T - lämpötila (mitattu kelvineinä, ei Celsiusina); R on ihanteellisen kaasun kaasuvakio.

Kaiken edellä mainitun lisäksi diffuusionopeuteen kiinteissä aineissa ja nesteissä kaasuissa vaikuttavat paine ja säteily (induktio tai suurtaajuus). Lisäksi paljon riippuu katalyyttisen aineen läsnäolosta; usein se toimii laukaisijana hiukkasten aktiiviselle dispersiolle.

Diffuusioyhtälö

Tämä ilmiö on erityinen osittaisen differentiaaliyhtälön tyyppi.

Sen tavoitteena on selvittää aineen pitoisuuden riippuvuus tilan koosta ja koordinaateista (jossa se diffundoituu) sekä ajasta. Tässä tapauksessa annettu kerroin luonnehtii reaktioväliaineen läpäisevyyttä.

Useimmiten diffuusioyhtälö kirjoitetaan seuraavasti: ∂φ (r,t)/∂t = ∇ x.

Siinä φ (t ja r) on sironta-aineen tiheys pisteessä r hetkellä t. D (φ, r) on yleinen diffuusiokerroin tiheydellä φ pisteessä r.

∇ on, jonka koordinaattikomponentit ovat osittaisia ​​derivaattoja.

Kun diffuusiokerroin on tiheydestä riippuvainen, yhtälö on epälineaarinen. Kun ei - lineaarinen.

Kun otetaan huomioon diffuusion määritelmä ja tämän prosessin piirteet eri ympäristöissä, voidaan todeta, että sillä on sekä positiivisia että negatiivisia puolia.

Diffuusionopeus

Diffuusio on yksi yksinkertaisimmista ilmiöistä, joita tutkitaan osana fysiikan kurssia. Tämä prosessi voidaan esittää jokapäiväisellä arjen tasolla.

Diffuusio on fysikaalinen prosessi, jossa yhden aineen atomien ja molekyylien tunkeutuminen tapahtuu toisen aineen samojen rakenneosien välillä. Tämän prosessin tuloksena tunkeutuvien yhdisteiden pitoisuustaso tasoittuu. Diffuusio tai sekoittuminen näkyy joka aamu omassa keittiössäsi valmistaessasi teetä, kahvia tai muita useita peruskomponentteja sisältäviä juomia.

Adolf Fick pystyi ensimmäisen kerran tieteellisesti kuvailemaan samanlaisen prosessin 1800-luvun puolivälissä. Hän antoi sille alkuperäisen nimen, joka on käännetty latinasta vuorovaikutukseksi tai jakeluksi.

Diffuusionopeus riippuu useista tekijöistä:

  • ruumiinlämpö;
  • tutkittavan aineen aggregaatiotila.

Eri kaasuissa, joissa molekyylien välillä on hyvin suuria etäisyyksiä, diffuusionopeus on suurin. Nesteissä, joissa molekyylien välinen etäisyys on huomattavasti pienempi, myös nopeus pienenee. Alhaisin diffuusionopeus havaitaan kiinteissä aineissa, koska molekyylisidokset osoittavat tiukkaa järjestystä. Atomit ja molekyylit itse suorittavat pieniä värähtelyliikkeitä yhdessä paikassa. Diffuusionopeus kasvaa ympäristön lämpötilan noustessa.

Fickin laki

Huomautus 1

Diffuusionopeutta mitataan yleensä aikayksikköä kohti siirtyvän aineen määrällä. Kaikkien vuorovaikutusten on tapahduttava liuoksen poikkileikkausalueen kautta.

Diffuusionopeuden peruskaava on:

$\frac(dm)(dt)=-DC\frac(dC)(dx)$, missä:

  • $D$ on suhteellisuuskerroin,
  • $S$ on pinta-ala, ja "-"-merkki tarkoittaa, että diffuusio etenee suuremman pitoisuuden alueelta pienempään.

Fick esitti tämän kaavan matemaattisen kuvauksen muodossa.

Sen mukaan diffuusionopeus on suoraan verrannollinen pitoisuusgradienttiin ja alueeseen, jonka läpi diffuusioprosessi tapahtuu. Suhteellisuuskerroin määrittää aineen diffuusion.

Kuuluisa fyysikko Albert Einstein johti yhtälöt diffuusiokertoimelle:

$D=RT/NA \cdot 1/6\pi\etaŋr$, jossa:

  • $R$ on yleinen kaasuvakio,
  • $T$ on absoluuttinen lämpötila,
  • $r$ on leviävien hiukkasten säde,
  • $D$ - diffuusiokerroin,
  • $ŋ$ on väliaineen viskositeetti.

Näistä yhtälöistä seuraa, että diffuusionopeus kasvaa:

  • kun lämpötila nousee;
  • pitoisuusgradientin kasvaessa.

Diffuusionopeus laskee:

  • liuottimen viskositeetin kasvaessa;
  • diffundoituvien hiukkasten koon kasvaessa.

Jos moolimassa kasvaa, diffuusiokerroin pienenee. Tässä tapauksessa myös diffuusionopeus pienenee.

Diffuusiokiihtyvyys

On olemassa erilaisia ​​olosuhteita, jotka auttavat nopeuttamaan diffuusiota. Diffuusionopeus riippuu tutkittavan aineen aggregaatiotilasta. Materiaalin suuri tiheys hidastaa kemiallista reaktiota. Molekyylien vuorovaikutusnopeuteen vaikuttaa lämpötila. Diffuusionopeuden kvantitatiivinen ominaisuus on kerroin. SI-mittausjärjestelmässä se merkitään latinalaisella isolla kirjaimella D. Se mitataan neliösenttimetrinä tai metreinä sekunnissa.

Määritelmä 1

Diffuusiokerroin on yhtä suuri kuin aineen määrä, joka jakautuu toisen aineen kesken tietyn pintayksikön kautta. Vuorovaikutus on suoritettava tietyn aikayksikön aikana. Tehokkaan ongelman ratkaisemiseksi on välttämätöntä saavuttaa ehto, jossa tiheysero molemmilla pinnoilla on yhtä suuri kuin yksikkö.

Paine ja säteily vaikuttavat myös diffuusionopeuteen kiinteissä aineissa ja nesteissä kaasuissa. Säteily voi olla erityyppistä, mukaan lukien induktio ja suurtaajuus. Diffuusio alkaa, kun se altistuu tietylle katalyyttiaineelle. Ne toimivat usein laukaisimina stabiilin hiukkasdispersioprosessin syntymiselle.

Arrhenius-yhtälön avulla kuvataan kertoimen riippuvuus lämpötilasta. Se näyttää tältä:

$D = D0exp(-E/TR)$, missä:

  • $T$ on absoluuttinen lämpötila, joka mitataan kelvineinä,
  • $E$ on diffuusioon vaadittava vähimmäisenergia.

Kaavan avulla voimme ymmärtää enemmän koko diffuusioprosessin ominaisuuksista ja määrittää reaktion nopeuden.

Erityiset diffuusiomenetelmät

Nykyään on käytännössä mahdotonta käyttää tavanomaisia ​​menetelmiä proteiinien molekyylipainon määrittämiseen. Ne perustuvat yleensä mittaukseen:

  • Höyrynpaine;
  • nostaa kiehumispistettä;
  • liuosten jäätymispisteen alentaminen.

Ongelman ratkaisemiseksi tehokkaasti käytetään erityisiä menetelmiä, jotka on kehitetty korkeamolekyylisten aineiden tutkimiseen. Niihin kuuluu liuosten diffuusionopeuden tai viskositeetin määrittäminen.

Menetelmä huokosten suunnan ja muodon määrittämiseksi diffuusionopeudesta perustuu dialyysinopeuksien tutkimukseen. Vapaa diffuusio pitäisi tapahtua kalvossa tällä hetkellä.

Erilaisia ​​radioisotooppeja voidaan käyttää myös natriumdiffuusionopeuden määrittämiseen. Tätä erikoismenetelmää käytetään mineralogian ja geologian ongelmien ratkaisemiseen.

Aktiivisesti käytössä on diffuusiomenetelmä, joka perustuu makromolekyylien diffuusion määrittämiseen liuoksessa. Se on kehitetty polymeerimateriaaleille. Menetelmän mukaan määritetään diffuusiokerroin ja sitten näistä tiedoista massakeskimääräinen molekyylipaino.

Tällä hetkellä ei ole olemassa suoria menetelmiä vedyn diffuusionopeuden määrittämiseksi katalyytissä. Tätä varten käytetään niin kutsuttua toista aktivointireittiä.

Nopeuden määrittämiseksi on tapana käyttää erikoislaitteita. Ne eroavat ulkonäöltään niille osoitetuista käytännön ja tieteellisistä tehtävistä.

Teoksen teksti on julkaistu ilman kuvia ja kaavoja.
Teoksen täysi versio löytyy "Työtiedostot"-välilehdeltä PDF-muodossa

Johdanto

Diffuusiolla on valtava rooli luonnossa, ihmisten elämässä ja tekniikassa. Diffuusioprosesseilla voi olla sekä myönteisiä että kielteisiä vaikutuksia ihmisten ja eläinten elämään. Esimerkki positiivisesta vaikutuksesta on ilmakehän ilman yhtenäisen koostumuksen ylläpitäminen lähellä maan pintaa. Diffuusio on tärkeässä roolissa tieteen ja tekniikan eri aloilla, elävässä ja elottomassa luonnossa tapahtuvissa prosesseissa. Se vaikuttaa kemiallisten reaktioiden kulkuun.

Diffuusioon osallistuessa tai kun tämä prosessi katkeaa ja muuttuu, luonnossa ja ihmiselämässä voi syntyä negatiivisia ilmiöitä, kuten laajaa ympäristön saastuttamista ihmisen teknisen kehityksen tuotteilla.

Merkityksellisyys: Diffuusio osoittaa, että kappaleet koostuvat molekyyleistä, jotka ovat satunnaisessa liikkeessä; Diffuusiolla on suuri merkitys ihmisten elämässä, eläimissä ja kasveissa sekä tekniikassa.

Kohde:

    todistaa, että diffuusio riippuu lämpötilasta;

    harkita esimerkkejä diffuusiosta kotikokeissa;

    varmista, että diffuusio tapahtuu eri tavalla eri aineissa.

    Harkitse aineiden lämpödiffuusiota.

Tutkimustavoitteet:

    Tutki tieteellistä kirjallisuutta aiheesta "Diffuusio".

    Todista diffuusionopeuden riippuvuus aineen tyypistä ja lämpötilasta.

    Tutki diffuusioilmiön vaikutusta ympäristöön ja ihmisiin.

    Kuvaile ja suunnittele mielenkiintoisimmat diffuusiokokeet.

Tutkimusmenetelmät:

    Kirjallisuuden ja Internet-aineiston analyysi.

    Kokeiden tekeminen diffuusion riippuvuuden tutkimiseksi aineen tyypistä ja lämpötilasta.

    Tulosten analyysi.

Opintojen aihe: diffuusion ilmiö, diffuusion kulun riippuvuus eri tekijöistä, diffuusion ilmeneminen luonnossa, tekniikassa ja jokapäiväisessä elämässä.

Hypoteesi: Diffuusio on erittäin tärkeää ihmisille ja luonnolle.

1. Teoreettinen osa

1.1.Mikä on diffuusio

Diffuusio on kontaktissa olevien aineiden spontaania sekoittumista, joka tapahtuu molekyylien kaoottisen (häiriöttömän) liikkeen seurauksena.

Toinen määritelmä: diffuusio ( lat. diffuusio- leviäminen, leviäminen, hajoaminen) - prosessi, jossa ainetta tai energiaa siirretään korkean pitoisuuden alueelta alhaisen pitoisuuden alueelle.

Tunnetuin esimerkki diffuusiosta on kaasujen tai nesteiden sekoittuminen (jos mustetta pudotetaan veteen, nesteen väri muuttuu tasaisen ajan kuluttua).

Diffuusio tapahtuu nesteissä, kiinteissä aineissa ja kaasuissa. Diffuusio tapahtuu nopeimmin kaasuissa, hitaammin nesteissä ja vielä hitaammin kiinteissä aineissa, mikä johtuu hiukkasten lämpöliikkeen luonteesta näissä väliaineissa. Jokaisen kaasuhiukkasen liikerata on katkoviiva, koska Törmäysten aikana hiukkaset muuttavat liikkeensä suuntaa ja nopeutta. Vuosisatojen ajan työntekijät hitsasivat metalleja ja tuottivat terästä kuumentamalla kiinteää rautaa hiiliilmakehässä ilman pienintäkään käsitystä tämän prosessin aikana tapahtuvista diffuusioprosesseista. Vasta vuonna 1896 alkoi tutkia ongelmaa.

Molekyylien diffuusio on erittäin hidasta. Esimerkiksi jos pala sokeria laitetaan vesilasillisen pohjalle eikä vettä sekoita, kestää useita viikkoja ennen kuin liuos muuttuu homogeeniseksi.

1.2. Diffuusion rooli luonnossa

Diffuusion avulla ilmassa leviävät erilaiset kaasumaiset aineet: esimerkiksi tulipalon savu leviää pitkiä matkoja. Jos katsoo yritysten savupiippuja ja autojen pakoputkia, niin monissa tapauksissa putkien läheisyydessä näkyy savua. Ja sitten hän katoaa jonnekin. Savu liukenee ilmaan diffuusion seurauksena. Jos savu on tiheää, sen sumu ulottuu melko pitkälle.

Diffuusio voi olla huoneen lämpötilan tasaantuminen ilmanvaihdon aikana. Samalla tavalla ilmansaasteita esiintyy haitallisilla teollisuustuotteilla ja ajoneuvojen pakokaasuilla. Kotona käyttämämme luonnonkaasu on väritöntä ja hajutonta. Jos vuotoa on, sitä on mahdoton havaita, joten jakeluasemilla kaasu sekoitetaan erikoisaineeseen, jolla on terävä, epämiellyttävä haju, jonka ihmiset havaitsevat helposti jopa erittäin alhaisella pitoisuudella. Tämän varotoimenpiteen avulla voit nopeasti havaita kaasun kerääntymisen huoneeseen, jos vuoto tapahtuu (kuva 1).

Diffuusioilmiön ansiosta ilmakehän alempi kerros - troposfääri - koostuu kaasuseoksesta: typestä, hapesta, hiilidioksidista ja vesihöyrystä. Ilman diffuusiota erottuminen tapahtuisi painovoiman vaikutuksesta: pohjassa olisi kerros raskasta hiilidioksidia, sen yläpuolella - happea, yläpuolella - typpeä, inerttejä kaasuja (kuva 2).

Havaitsemme tämän ilmiön myös taivaalla. Hajoavat pilvet ovat myös esimerkki diffuusiosta, ja kuten F. Tyutchev oikein sanoi tästä: "Pilvet sulavat taivaalla..." (Kuva 3)

Diffuusioperiaate perustuu makean veden sekoittumiseen suolaveteen jokien virratessa meriin. Erilaisten suolojen liuosten diffuusio maaperään edistää kasvien normaalia ravintoa.

Diffuusiolla on tärkeä rooli kasvien ja eläinten elämässä. Muurahaiset merkitsevät polkunsa hajuisen nesteen pisaroilla ja löytävät tien kotiin (kuva 4)

Difuusion ansiosta hyönteiset löytävät ruokansa. Kasvien välissä lepattavat perhoset löytävät aina tiensä kauniiseen kukkaan. Mehiläiset, löydettyään makean esineen, hyökkäävät siihen parvellaan. Ja kasvi kasvaa ja kukkii myös heille diffuusion ansiosta. Loppujen lopuksi sanomme, että kasvi hengittää ja hengittää ilmaa, juo vettä ja saa erilaisia ​​mikrolisäaineita maaperästä.

Lihansyöjät löytävät uhrinsa myös diffuusion kautta. Hait voivat haistaa verta useiden kilometrien päästä, aivan kuten piraijakalat (kuva 5).

Diffuusioprosesseilla on tärkeä rooli hapen toimittamisessa luonnollisiin varastoihin ja akvaarioihin. Happi saavuttaa seisovien vesien syvemmät vesikerrokset diffuusion vuoksi niiden vapaan pinnan läpi. Esimerkiksi veden pinnan peittävät lehdet tai ankkaruoho voivat kokonaan estää hapen pääsyn veteen ja johtaa sen asukkaiden kuolemaan. Samasta syystä kapeakaulaiset astiat eivät sovellu käytettäväksi akvaarioina (kuva 6).

On jo todettu, että diffuusioilmiön merkityksessä kasvien ja eläinten elämälle on paljon yhteistä. Ensinnäkin on huomioitava diffuusiovaihdon rooli kasvien pinnan läpi hengitystoiminnan suorittamisessa. Esimerkiksi puilla pinnan (lehtikruunu) kehitys on erityisen suuri, koska diffuusiovaihto lehtien pinnan läpi suorittaa hengitystoiminnon. K.A. Timiryazev sanoi: "Puhutaanpa sitten juuren ravinnosta maaperässä olevien aineiden takia, puhutaanpa lehtien ilmaravinnosta ilmakehän vaikutuksesta tai yhden elimen ravinnosta toisen, viereisen elimen kustannuksella. - kaikkialla turvaudumme samoihin selityksiin: diffuusio" (Kuva 7).

Diffuusion ansiosta keuhkoista happi tunkeutuu ihmisen vereen ja verestä kudoksiin.

Tieteellisessä kirjallisuudessa olen tutkinut yksisuuntaisen diffuusion prosessia - osmoosia, ts. aineiden diffuusio puoliläpäisevien kalvojen läpi. Osmoosiprosessi eroaa vapaasta diffuusiosta siinä, että kahden kosketuksissa olevan nesteen rajalla on este osion (kalvon) muodossa, joka läpäisee vain liuotinta ja ei ollenkaan liuenneen aineen molekyylejä. (Kuva 8).

Maaperäliuokset sisältävät mineraalisuoloja ja orgaanisia yhdisteitä. Maaperän vesi pääsee kasviin osmoosin kautta juurikarvojen puoliläpäisevien kalvojen kautta. Veden pitoisuus maaperässä on suurempi kuin juurikarvojen sisällä, joten vesi tunkeutuu jyviin ja antaa kasville elämää.

1.3. Hajauttamisen rooli arjessa ja teknologiassa

Diffuusiota käytetään monissa teknologisissa prosesseissa: suolauksessa, sokerin valmistuksessa (sokerijuurikaslastut pestään vedellä, sokerimolekyylit diffundoituvat lastuista liuokseen), hillon valmistuksessa, kankaan värjäyksessä, vaatteiden pesussa, sementoinnissa, metallien hitsauksessa ja juottamisessa, mm. diffuusiohitsaus tyhjiössä (metallit hitsataan, joita ei voida liittää muilla menetelmillä - teräs valuraudalla, hopea ruostumattomalla teräksellä jne.) ja tuotteiden diffuusiometallointi (terästuotteiden pinnan kyllästäminen alumiinilla, kromilla, piillä), nitraus - teräspinnan kyllästyminen typellä (teräs muuttuu kovaksi, kulutusta kestäväksi), hiiletys - terästuotteiden kyllästyminen hiilellä, syanidaatio - teräspinnan kyllästyminen hiilellä ja typellä.

Hajujen leviäminen ilmassa on yleisin esimerkki diffuusiosta kaasuissa. Miksi haju ei leviä heti, vaan jonkin ajan kuluttua? Tosiasia on, että liikkuessaan tiettyyn suuntaan hajuisen aineen molekyylit törmäävät ilmamolekyyleihin. Jokaisen kaasuhiukkasen liikerata on katkoviiva, koska Törmäysten aikana hiukkaset muuttavat liikkeensä suuntaa ja nopeutta.

2. Käytännön osa

Kuinka paljon ihmeellisiä ja mielenkiintoisia asioita ympärillämme tapahtuu! Haluan tietää paljon, yritä selittää se itse. Tästä syystä päätin tehdä sarjan kokeita, joiden aikana yritin selvittää, onko diffuusioteoria todella pätevä ja onko se vahvistettu käytännössä. Mitä tahansa teoriaa voidaan pitää luotettavana vain, jos se vahvistetaan toistuvasti kokeellisesti.

Koe nro 1 Diffuusioilmiön havainnointi nesteissä

Kohde: tutkia diffuusiota nesteessä. Tarkkaile kaliumpermanganaatin palasten liukenemista veteen vakiolämpötilassa (t = 20°C)

Laitteet ja materiaalit: lasi vettä, lämpömittari, kaliumpermanganaatti.

Otin palan kaliumpermanganaattia ja kaksi lasillista puhdasta vettä, jonka lämpötila oli 20 °C. Hän laittoi kaliumpermanganaatin paloja lasiin ja alkoi tarkkailla, mitä tapahtui. 1 minuutin kuluttua lasien vesi alkaa värjäytyä.

Vesi on hyvä liuotin. Vesimolekyylien vaikutuksesta kaliumpermanganaatin kiinteiden aineiden molekyylien väliset sidokset tuhoutuvat.

Ensimmäisessä lasissa en sekoittunut liuosta, mutta toisessa sekoitin. Vettä sekoittamalla (ravistamalla) varmistin, että diffuusioprosessi tapahtuu paljon nopeammin (2 minuuttia)

Ensimmäisen lasin veden väri muuttuu voimakkaammaksi ajan kuluessa. Vesimolekyylit tunkeutuvat kaliumpermanganaattimolekyylien väliin ja rikkovat vetovoimat. Samanaikaisesti molekyylien välisten vetovoimien kanssa hylkivät voimat alkavat vaikuttaa ja seurauksena kiinteän aineen kidehila tuhoutuu. Kaliumpermanganaatin liuotusprosessi on ohi. Kokeilu kesti 3 tuntia ja 15 minuuttia. Vesi muuttui täysin punaiseksi (Kuva 9-12).

Voidaan päätellä, että diffuusioilmiö nesteessä on pitkäaikainen prosessi, jonka seurauksena kiinteät aineet liukenevat.

Halusin selvittää, mistä muusta diffuusion nopeus riippuu.

Koe nro 2 Tutkimus diffuusionopeuden riippuvuudesta lämpötilasta

Kohde: tutkia kuinka veden lämpötila vaikuttaa diffuusionopeuteen.

Laitteet ja materiaalit: lämpömittarit - 1 kpl, sekuntikello - 1 kpl, lasit - 4 kpl, tee, kaliumpermanganaatti.

(kokemus teen valmistamisesta alkulämpötilassa 20°C ja lämpötilassa 100°C kahdessa lasissa).

Otimme kaksi lasillista vettä t=20 °C ja t=100 °C. Kuvat näyttävät kokeen etenemisen tietyn ajan kuluttua alusta: kokeen alussa - kuva 1, 30 sekunnin kuluttua. - Kuva 2, 1 minuutin kuluttua. - Kuva 3, 2 minuutin kuluttua. - Kuva 4, 5 minuutin kuluttua. - riisi 5, 15 minuutin kuluttua. - Kuva 6. Tästä kokemuksesta voimme päätellä, että lämpötila vaikuttaa diffuusionopeuteen: mitä korkeampi lämpötila, sitä suurempi diffuusionopeus (Kuva 13-17).

Sain samat tulokset, kun otin 2 lasillista vettä teen sijaan. Yksi niistä sisälsi huoneenlämpöistä vettä, toisessa kiehuvaa vettä.

Laitoin jokaiseen lasiin saman määrän kaliumpermanganaattia. Lasissa, jossa veden lämpötila oli korkeampi, diffuusioprosessi eteni paljon nopeammin (kuvat 18-23).

Siksi diffuusionopeus riippuu lämpötilasta - mitä korkeampi lämpötila, sitä voimakkaampi diffuusio tapahtuu.

Koe nro 3 Diffuusion havainnointi kemiallisia reagensseja käyttäen

Kohde: Diffuusioilmiön havainnointi etäältä.

Laitteet: puuvilla, ammoniakki, fenoliftaleiini, koeputki.

Kokemuksen kuvaus: Kaada ammoniakkia koeputkeen. Kostuta vanupala fenolftaleiinilla ja aseta se koeputken päälle. Jonkin ajan kuluttua tarkkailemme fleecen väriä (kuvat 24-26).

Ammoniakki haihtuu; ammoniakkimolekyylit tunkeutuivat fenolftaleiiniin kostutettuun puuvillaan ja se värjäytyi, vaikka vanu ei joutunut kosketuksiin alkoholin kanssa. Alkoholimolekyylit sekoittuivat ilmamolekyylien kanssa ja saavuttivat vanun. Tämä koe osoittaa diffuusioilmiön etäältä.

Kokemus nro 4. Diffuusioilmiön havainnointi kaasuissa

Kohde: kaasun diffuusion muutosten tutkimus ilmassa riippuen huoneenlämpötilan muutoksista.

Laitteet ja materiaalit: sekuntikello, hajuvesi, lämpömittari

Kuvaus kokemuksesta ja saavutetuista tuloksista: Tutkin hajuveden hajun leviämisaikaa toimistossa V = 120 m 3 lämpötilassa t = +20 0. Aikaa mitattiin hajun leviämisen alusta huoneessa siihen asti, kunnes havaittiin selvä herkkyys ihmisillä, jotka seisoivat 10 metrin etäisyydellä tutkittavasta kohteesta (hajuvesi). (Kuva 27-29)

Koe nro 5 Guassin palasten liuottaminen veteen vakiolämpötilassa

Kohde:

Laitteet ja materiaalit: kolme lasia, vesi, kolmen värin guassi.

Kuvaus kokemuksesta ja saavutetuista tuloksista:

He ottivat kolme lasia, jotka oli täytetty vedellä t = 25 0 C, ja heittivät lasiin identtiset guassipalat.

Aloimme tarkkailla guassin hajoamista.

Kuvat otettiin 1 minuutin, 5 minuutin, 10 minuutin, 20 minuutin kuluttua, liukeneminen päättyi 4 tunnin 19 minuutin kuluttua (Kuva 30-34)

Koe nro 6 Diffuusioilmiön havainnointi kiinteissä aineissa

Kohde: diffuusion tarkkailu kiintoaineissa.

Laitteet ja materiaalit: omena, perunat, porkkanat, vihreä liuos, pipetti.

Kuvaus kokemuksesta ja saavutetuista tuloksista:

Leikkaa omena, porkkana ja peruna yhdeksi puolikkaaksi.

Tarkkailemme, kuinka tahra leviää pinnan poikki

Leikkaamme briljanttivihreän kosketuskohdasta nähdäksemme kuinka syvälle se on tunkeutunut sisään (kuvat 35-37)

Kuinka tehdä koe vahvistaaksesi hypoteesin diffuusion mahdollisuudesta kiintoaineissa? Onko mahdollista sekoittaa aineita sellaisessa aggregaatiotilassa? Todennäköisesti vastaus on "Kyllä". Mutta on kätevää tarkkailla diffuusiota kiinteissä aineissa (erittäin viskoosi) käyttämällä paksuja geelejä. Tämä on tiheä gelatiiniliuos. Se voidaan valmistaa seuraavasti: liuotetaan 4-5 g kuivaa syötävää gelatiinia kylmään veteen. Gelatiinin on ensin turvottava useita tunteja, ja sitten se liuotetaan kokonaan sekoittamalla 100 ml:aan vettä, lasketaan astiaan kuumalla vedellä. Jäähdytyksen jälkeen saadaan 4-5 % gelatiiniliuos.

Koe nro 7 Diffuusion havainnointi käyttämällä paksuja geelejä

Kohde: Diffuusioilmiön havainnointi kiintoaineissa (käyttäen paksua gelatiiniliuosta).

Laitteet: 4% gelatiiniliuos, koeputki, pieni kaliumpermanganaattikide, pinsetit.

Kokeen kuvaus ja tulos: Laita gelatiiniliuos koeputkeen; työnnä nopeasti kaliumpermanganaattikide koeputken keskelle pinseteillä yhdellä liikkeellä.

Kaliumpermanganaattikide kokeen alussa

Kiteen sijainti gelatiiniliuoksella varustetussa pullossa 1,5 tunnin kuluttua

Muutamassa minuutissa violetin värinen pallo alkaa kasvaa kristallin ympärille, ja ajan myötä siitä tulee suurempi ja suurempi. Tämä tarkoittaa, että kiteinen aine leviää kaikkiin suuntiin samalla nopeudella (Kuva 38-39)

Kiinteissä aineissa diffuusio tapahtuu, mutta paljon hitaammin kuin nesteissä ja kaasuissa.

Koe nro 8 Lämpötilaero neste-lämpödiffuusiossa

Kohde: Lämpödiffuusioilmiön havainnointi.

Laitteet: 4 samanlaista lasiastiaa, 2 maaliväriä, kuuma ja kylmä vesi, 2 muovikorttia.

Kokeen kuvaus ja tulos:

1. Lisää hieman punaista maalia astioihin 1 ja 2 ja sinistä maalia säiliöön 3 ja 4.

2. Kaada kuumaa vettä astioihin 1 ja 2.

3. Kaada kylmää vettä astioihin 3 ja 4.

4. Peitä astia 1 muovikortilla, käännä se ylösalaisin ja aseta astian 4 päälle.

5. Peitä astia 3 muovikortilla, käännä se ylösalaisin ja aseta astian 2 päälle.

6. Poista molemmat kortit.

Tämä koe osoittaa lämmön diffuusion vaikutuksen. Ensimmäisessä tapauksessa kuumaa vettä ilmestyy kylmän veden päälle ja diffuusiota ei tapahdu ennen kuin lämpötilat ovat samat. Ja toisessa tapauksessa, päinvastoin, se on kuuma alareunassa ja kylmä ylhäällä. Ja toisessa tapauksessa kuuman veden molekyylit alkavat taipua ylöspäin ja kylmän veden molekyylit alaspäin (Kuva 41-44).

Johtopäätös

Tämän tutkimustyön aikana voidaan päätellä, että diffuusiolla on valtava rooli ihmisten ja eläinten elämässä.

Tästä tutkimustyöstä voidaan päätellä, että diffuusion kesto riippuu lämpötilasta: mitä korkeampi lämpötila, sitä nopeammin diffuusio tapahtuu.

Tutkin diffuusioilmiötä käyttämällä esimerkkinä erilaisia ​​aineita.

Virtausnopeus riippuu aineen tyypistä: se virtaa nopeammin kaasuissa kuin nesteissä; kiinteissä aineissa diffuusio etenee paljon hitaammin.Tämä väite voidaan selittää seuraavasti: kaasumolekyylit ovat vapaita, sijaitsevat molekyylien kokoa paljon suuremmilla etäisyyksillä ja liikkuvat suurilla nopeuksilla. Nesteiden molekyylit ovat yhtä satunnaisesti kuin kaasuissa, mutta paljon tiheämpiä. Jokainen molekyyli, jota ympäröivät naapurimolekyylit, liikkuu hitaasti nesteen sisällä. Kiinteiden aineiden molekyylit värähtelevät tasapainoasennon ympärillä.

On lämpödiffuusio.

Bibliografia

    Gendenstein, L.E. Fysiikka. 7. luokka. Osa 1 / L.E. Gendenshtein, A. B., Kaidalov. - M: Mnemosyne, 2009.-255 s.;

    Kirillova, I.G. Lukukirja fysiikasta 7. luokan lukiolaisille / I.G. Kirillova.-M., 1986.-207 s.;

    Olgin, O. Kokeet ilman räjähdyksiä / O. Olgin. - M.: Khimik, 1986.-192 s.;

    Peryshkin, A.V. Fysiikan oppikirja, luokka 7 / A.V. Peryshkin.- M., 2010.-189 s.;

    Razumovski, V.G. Fysiikan luovia ongelmia / V.G. Razumovsky. - M., 1966. - 159 s.;

    Ryzhenkov, A.P. Fysiikka. Ihmisen. Ympäristö: Täydennys fysiikan oppikirjaan oppilaitosten 7. luokalle / A.P. Ryzhenkov. - M., 1996. - 120 s.;

    Chuyanov, V.A. Nuoren fyysikon tietosanakirja / V.A. Chuyanov. - M., 1984. - 352 s.;

    Shablovsky, V. Viihdyttävä fysiikka / V. Shablovsky. S.-P., Trigon, 1997.-416 s.

Sovellus

kuva 1

kuva 2

kuva 3

kuva 4

Kuva 5

Kuva 6

kuva 7

Liuotinhiukkaset (siniset) pystyvät läpäisemään kalvon,

liuenneet hiukkaset (punaiset) eivät ole.

kuva 8

kuva 9

kuva 10

kuva 11

kuva 12

Kuva 13

kuva 14

kuva 15

Kuva 16

Kuva 17

kuva 18

kuva 19

kuva 20

kuva 21

kuva 22

kuva 23

kuva 24

kuva 25

kuva 26

kuva 27

kuva 28

kuva 29

kuva 30

kuva 31

kuva 32

kuva 33

kuva 34

kuva 35

kuva 36

Sivu 1


Diffuusionopeus kiteytymiskohtaan ja siten kiteiden kasvu riippuu suurelta osin väliaineen viskositeetista ja kasvaa viskositeetin pienentyessä.

Diffuusionopeus kasvaa lämpötilan noustessa.

Kaavio diffuusiomekanismeista.

Diffuusionopeus määräytyy aineen m määrällä, joka diffundoituu rajapinnan yksikköpinta-alan läpi aikayksikköä kohti. Diffundoituvan (aikayksikköä kohti) aineen m määrä riippuu elementin pitoisuusgradientista dC / dx rajapinnan normaalisuunnassa ja on verrannollinen diffuusiokertoimeen D: t - D (dC / dx), missä dC on pitoisuus; dx - etäisyys valitussa suunnassa.

Diffuusionopeus pienenee merkittävästi, jos metalli hapettuu hieman. Palladium ja eräät muut metallit tuhoutuvat erityisesti esilämpökäsittelyssä. Hem havaitsi, että uuden passiivisen palladiumin diffuusionopeus putoaa viideskymmenesosaan alkuperäisestä arvostaan, kun sitä on kuumennettu useiden tuntien ajan 1000 C:een. Läpäisevyys palautetaan kuumentamalla 500 C hapessa ja muodostuu happikalvo, joka palautetaan sitten käsittelemällä vety 150 C. Kuumennus typessä lisää palladiumin läpäisevyyttä. Bauklo ja Kaiser [5a] havaitsivat, että vedyn diffuusionopeus nikkelin läpi pysyy vakiona 850 C:een asti ja laskee vähitellen korkeammissa lämpötiloissa. Kuuden tunnin jälkeen 1060 C:ssa nopeus laskee 30 % alkuperäisestä arvosta.

Diffuusionopeus riippuu myös metallin alustavasta lämpökäsittelystä, jonka läpi diffuusio tapahtuu. Jos juuri valmistettu palladiumvalmiste, josta on poistettu kaasut, antaa tietyn diffuusionopeuden 300 ja 760 mm paineessa, toinen palladiumvalmiste saattaa vaatia kuumennuksen esimerkiksi 600 °C:seen 760 mm:n paineessa saman diffuusionopeuden saamiseksi. Jos rauta oli kosketuksissa typen kanssa, niin vedyn diffuusionopeus voi olla 10 - 15 kertaa suurempi, mutta diffuusiokäyrät ovat samat kuin aikaisempi sijaintinsa kuumennettaessa korkeampiin lämpötiloihin.

Diffuusionopeudella on myös ratkaiseva rooli polymeerin ja reagenssien välisissä reaktioissa, joiden molekyylit ovat pieniä. Jos esimerkiksi hapen diffuusionopeus kumiin ei ole riittävän nopea ylläpitämään vakiopitoisuutta polymeerinäytteessä, diffuusio muuttuu nopeuden määrääväksi prosessiksi ja kaikki yritykset kvantitatiivisiin kineettisiin mittauksiin epäonnistuvat. Samat vaikutukset ovat mahdollisia heterogeenisissä hydrolyysireaktioissa.

Diffuusionopeus on verrannollinen liuoksen kokonaispitoisuuteen ja kasvaa suuresti lämpötilan noustessa. Diffuusion kiihtyminen puolestaan ​​johtaa elektrolyysin kiihtymiseen. Joten esimerkiksi elektrolyysin aikana sekoittaen, kylmästä SnQ4-liuoksesta vapautuu 2 g tinaa virralla 1 5 - 1 7 A 70 minuutissa ja kuumasta liuoksesta vain 30 minuutissa.


Diffuusionopeuden pitäisi ilmeisesti laskea huokosten halkaisijan pienentyessä, ja tarkka toiminnallinen suhde näiden määrien välillä määräytyy huokosten sisällä tapahtuvan diffuusion tyypin mukaan. Tarkastellaanpa tapausta, jossa katalyytti sisältää niin pieniä metallipalladiumhiukkasia, että ne jakautuvat aktiivihiilen pinnalle samalla tiheydellä huokosten halkaisijasta riippumatta.

Diffuusio- ja haihtumisnopeus turbulentissa virtauksessa määräytyy sellaisilla ominaisuuksilla kuin turbulenssin intensiteetti ja laajuus.

Diffuusionopeus määräytyy väliaineen pitoisuuksien, lämpötilan ja viskositeetin eron perusteella.