Start i naturfag. Diffusjon i gasser, væsker og faste stoffer
Avhengighet av diffusjonshastigheten til molekyler av temperaturen til et stoff Avhengighet av diffusjonshastigheten til molekyler av temperaturen til et stoff Forfatter av prosjektet: Maxim Karapuzov, 7. klasse elev Prosjektforfatter: Maxim Karapuzov, 7. klasse student ved MBOU "SEVERAGE SCHOOL 40" BELGOROD DISTRIKT, STARY OSKOL Leder: Gavryushina Lyudmila Konstantinovna , fysikklærer, fysikklærer, MBOU "SEVERAGE EDUCATIONAL SCHOOL 40" BELGOROD DISTRIKT, STARY OSKOL
Problemstilling Hvorfor blandes stoffer? Hvorfor blandes stoffer? Hvilken rolle spiller diffusjon i verden rundt oss? Hvilken rolle spiller diffusjon i verden rundt oss? Hva er diffusjonsprosessen avhengig av? Hva er diffusjonsprosessen avhengig av?
Tolkning av resultater Diffusjon er en midlertidig prosess. Diffusjonens varighet avhenger av temperaturen og typen stoff: jo høyere temperatur, jo raskere er diffusjonsprosessen. Som et resultat av eksperimentene ble jeg overbevist om at hypotesen som ble fremsatt av meg ble fullstendig bekreftet. Faktisk, med økende temperatur, vil diffusjonen av molekyler i en væske skje raskere. Jo høyere den gjennomsnittlige bevegelseshastigheten til molekylene i kroppen er, desto høyere er temperaturen
Blant de mange fenomenene i fysikk er diffusjonsprosessen en av de enkleste og mest forståelige. Tross alt, hver morgen, når han tilbereder duftende te eller kaffe, har en person muligheten til å observere denne reaksjonen i praksis. La oss lære mer om denne prosessen og betingelsene for dens forekomst i forskjellige aggregeringstilstander.
Hva er diffusjon
Dette ordet refererer til penetrasjon av molekyler eller atomer av ett stoff mellom lignende strukturelle enheter av et annet. I dette tilfellet utjevnes konsentrasjonen av penetrerende forbindelser.
Denne prosessen ble først beskrevet i detalj av den tyske forskeren Adolf Fick i 1855.
Navnet på dette begrepet ble avledet fra det latinske diffusio (interaksjon, spredning, distribusjon).
Diffusjon i væske
Prosessen som vurderes kan skje med stoffer i alle tre aggregeringstilstander: gassformig, flytende og fast stoff. For å finne praktiske eksempler på dette er det bare å se inn på kjøkkenet.
Komfyrkokt borsjtsj er en av dem. Under påvirkning av temperatur reagerer molekylene av glukosin betanin (et stoff som skyldes at rødbetene har en så rik skarlagensfarge) jevnt med vannmolekyler, noe som gir den en unik burgunderfarge. Denne saken er i væsker.
I tillegg til borsjtsj, kan denne prosessen også sees i et glass te eller kaffe. Begge disse drikkene har en så ensartet rik nyanse på grunn av det faktum at teblader eller kaffepartikler, oppløses i vann, jevnt fordelt mellom molekylene og farger det. Handlingen til alle populære instantdrinker på nittitallet er bygget på samme prinsipp: Yupi, Invite, Zuko.
Interpenetrering av gasser
Luktbærende atomer og molekyler er i aktiv bevegelse og er som et resultat blandet med partikler som allerede er i luften, og er ganske jevnt spredt over hele rommet.
Dette er en manifestasjon av diffusjon i gasser. Det er verdt å merke seg at selve innåndingen av luft også tilhører prosessen under vurdering, så vel som den appetittvekkende lukten av nylaget borscht på kjøkkenet.
Diffusjon i faste stoffer
Kjøkkenbordet, som blomstene står på, er dekket med en knallgul duk. Hun fikk en lignende nyanse på grunn av diffusjonens evne til å finne sted i faste stoffer.
Prosessen med å gi lerretet en jevn nyanse foregår i flere stadier som følger.
- Partikler av gult pigment diffunderte i fargestofftanken mot det fibrøse materialet.
- Deretter ble de absorbert av den ytre overflaten av det fargede stoffet.
- Neste trinn var igjen diffusjonen av fargestoffet, men denne gangen inn i fibrene i stoffet.
- I finalen festet stoffet pigmentpartiklene, og ble dermed farget.
Diffusjon av gasser i metaller
Vanligvis, når vi snakker om denne prosessen, vurder interaksjonen mellom stoffer i de samme aggregattilstandene. For eksempel diffusjon i faste stoffer, faste stoffer. For å bevise dette fenomenet gjennomføres et eksperiment med to metallplater presset mot hverandre (gull og bly). Interpenetreringen av molekylene deres tar ganske lang tid (en millimeter på fem år). Denne prosessen brukes til å lage uvanlige smykker.
Imidlertid er forbindelser i forskjellige aggregattilstander også i stand til å diffundere. For eksempel er det diffusjon av gasser i faste stoffer.
Under eksperimentene ble det bevist at en lignende prosess skjer i atomtilstanden. For å aktivere den er det som regel nødvendig med en betydelig økning i temperatur og trykk.
Et eksempel på slik gassdiffusjon i faste stoffer er hydrogenkorrosjon. Det manifesterer seg i situasjoner der hydrogenatomer (H 2) som har oppstått i løpet av en eller annen kjemisk reaksjon under påvirkning av høye temperaturer (fra 200 til 650 grader Celsius) trenger inn mellom de strukturelle partiklene i metallet.
I tillegg til hydrogen kan diffusjon av oksygen og andre gasser også forekomme i faste stoffer. Denne prosessen, umerkelig for øyet, bringer mye skade, fordi metallstrukturer kan kollapse på grunn av den.
Diffusjon av væsker i metaller
Imidlertid kan ikke bare gassmolekyler trenge inn i faste stoffer, men også væsker. Som i tilfellet med hydrogen, fører denne prosessen oftest til korrosjon (hvis vi snakker om metaller).
Et klassisk eksempel på væskediffusjon i faste stoffer er korrosjon av metaller under påvirkning av vann (H 2 O) eller elektrolyttløsninger. For de fleste er denne prosessen mer kjent under navnet rusting. I motsetning til hydrogenkorrosjon, må det i praksis påtreffes mye oftere.
Forutsetninger for å akselerere diffusjon. Diffusjonskoeffisient
Etter å ha behandlet stoffene som prosessen under vurdering kan forekomme i, er det verdt å lære om betingelsene for dens forekomst.
Først av alt avhenger diffusjonshastigheten av aggregeringstilstanden til de interagerende stoffene. Jo mer reaksjonen skjer, jo saktere er hastigheten.
I denne forbindelse vil diffusjon i væsker og gasser alltid være mer aktiv enn i faste stoffer.
For eksempel, hvis krystaller av kaliumpermanganat KMnO 4 (kaliumpermanganat) kastes i vann, vil de gi det en vakker karmosinrød farge i løpet av få minutter. Men hvis du drysser et stykke is med KMnO 4-krystaller og legger alt i fryseren, vil kaliumpermanganat etter noen timer ikke være i stand til å farge den frosne H 2 O fullt ut.
Fra forrige eksempel kan det trekkes en konklusjon til om diffusjonsbetingelsene. I tillegg til aggregeringstilstanden, påvirkes også hastigheten for interpenetrering av partikler av temperaturen.
For å vurdere avhengigheten av prosessen som vurderes av den, er det verdt å lære om et slikt konsept som diffusjonskoeffisienten. Dette er navnet på den kvantitative egenskapen til hastigheten.
I de fleste formler er det betegnet med den store latinske bokstaven D, og i SI-systemet måles det i kvadratmeter per sekund (m² / s), noen ganger i centimeter per sekund (cm 2 / m).
Diffusjonskoeffisienten er lik mengden materie spredt gjennom en enhetsoverflate over en tidsenhet, forutsatt at tetthetsforskjellen på begge overflater (plassert i en avstand lik en lengdeenhet) er lik én. Kriteriene som bestemmer D er egenskapene til stoffet som selve partikkelspredningsprosessen foregår i, og deres type.
Koeffisientens avhengighet av temperatur kan beskrives ved hjelp av Arrhenius-ligningen: D = D 0exp (-E/TR).
I den betraktede formelen er E minimumsenergien som kreves for å aktivere prosessen; T - temperatur (målt i Kelvin, ikke Celsius); R er gasskonstantkarakteristikken til en ideell gass.
I tillegg til alt det ovennevnte, påvirkes diffusjonshastigheten i faste stoffer, væsker i gasser av trykk og stråling (induktiv eller høyfrekvent). I tillegg avhenger mye av tilstedeværelsen av et katalytisk stoff, ofte fungerer det som en triggermekanisme for starten av aktiv spredning av partikler.
Diffusjonsligning
Dette fenomenet er en spesiell form for en differensialligning med partielle derivater.
Målet er å finne avhengigheten av konsentrasjonen av et stoff av størrelsen og koordinatene til rommet (der det diffunderer), så vel som tid. I dette tilfellet karakteriserer den gitte koeffisienten permeabiliteten til mediet for reaksjonen.
Oftest skrives diffusjonsligningen slik: ∂φ (r,t)/∂t = ∇ x .
I den er φ (t og r) tettheten til spredningsmaterialet ved punktet r ved tidspunktet t. D (φ, r) er den generaliserte diffusjonskoeffisienten ved tettheten φ ved punktet r.
∇ er en vektordifferensialoperator hvis koordinatkomponenter er partielle deriverte.
Når diffusjonskoeffisienten er tetthetsavhengig, er ligningen ikke-lineær. Når ikke - lineær.
Etter å ha vurdert definisjonen av diffusjon og egenskapene til denne prosessen i forskjellige medier, kan det bemerkes at den har både positive og negative sider.
Diffusjonshastighet
Diffusjon er et av de enkleste fenomenene som studeres i løpet av fysikk. Denne prosessen kan representeres på husholdningens daglige nivå.
Diffusjon er en fysisk prosess med gjensidig penetrasjon av atomer og molekyler av ett stoff mellom de samme strukturelle elementene til et annet stoff. Resultatet av denne prosessen er utjevning av konsentrasjonsnivået i de penetrerende forbindelsene. Diffusjon eller blanding kan sees hver morgen på ditt eget kjøkken når du tilbereder te, kaffe eller andre drikker som inneholder flere grunnleggende komponenter.
En lignende prosess ble først vitenskapelig beskrevet av Adolf Fick på midten av 1800-tallet. Han ga det det opprinnelige navnet, som er oversatt fra latin som interaksjon eller distribusjon.
Diffusjonshastigheten avhenger av flere faktorer:
- kroppstemperatur;
- aggregeringstilstand for teststoffet.
I ulike gasser, hvor det er svært store avstander mellom molekyler, vil diffusjonshastigheten være størst. I væsker, hvor avstanden mellom molekylene er merkbart mindre, avtar også hastigheten. Den minste diffusjonshastigheten observeres i faste stoffer, siden en streng rekkefølge observeres i molekylære bindinger. Atomer og molekyler gjør selv ubetydelige oscillerende bevegelser på ett sted. Diffusjonshastigheten øker med økende omgivelsestemperatur.
Ficks lov
Merknad 1
Diffusjonshastighet måles vanligvis ved mengden stoff som overføres per tidsenhet. Alle interaksjoner må være gjennom tverrsnittsarealet til løsningen.
Den grunnleggende formelen for diffusjonshastighet er:
$\frac(dm)(dt)=-DC\frac(dC)(dx)$ hvor:
- $D$ er proporsjonalitetsfaktoren,
- $S$ er overflatearealet, og tegnet "-" betyr at diffusjon går fra et område med høyere konsentrasjon til et lavere.
Fick presenterte en slik formel i form av en matematisk beskrivelse.
I følge den er diffusjonshastigheten direkte proporsjonal med konsentrasjonsgradienten og området som diffusjonsprosessen utføres gjennom. Proporsjonalitetsfaktoren bestemmer diffusjonen av et stoff.
Den berømte fysikeren Albert Einstein utledet ligninger for diffusjonskoeffisienten:
$D=RT/NA \cdot 1/6\pi\etaŋr$, hvor:
- $R$ er den universelle gasskonstanten,
- $T$ - absolutt temperatur,
- $r$ - radius av diffuserende partikler,
- $D$ - diffusjonskoeffisient,
- $ŋ$ er viskositeten til mediet.
Det følger av disse ligningene at diffusjonshastigheten vil øke:
- når temperaturen stiger;
- med økende konsentrasjonsgradient.
Diffusjonshastigheten reduseres:
- med en økning i viskositeten til løsningsmidlet;
- med en økning i størrelsen på diffuserende partikler.
Hvis molmassen øker, synker diffusjonskoeffisienten. I dette tilfellet avtar også diffusjonshastigheten.
Diffusjonsakselerasjon
Det er ulike forhold som bidrar til akselerasjon av diffusjon. Diffusjonshastigheten avhenger av aggregeringstilstanden til teststoffet. Materialets høye tetthet bremser den kjemiske reaksjonen. Temperaturregimet påvirker interaksjonshastigheten til molekyler. Den kvantitative egenskapen til diffusjonshastigheten er koeffisienten. I SI-målesystemet er det betegnet som den latinske store bokstaven D. Den måles i kvadratcentimeter eller meter per sekund av tid.
Definisjon 1
Diffusjonskoeffisienten er lik mengden av et stoff som er fordelt mellom et annet stoff gjennom en viss overflateenhet. Samhandlingen bør utføres i en tidsenhet. For å effektivt løse problemet, er det nødvendig å oppnå tilstanden når tetthetsforskjellen på begge overflater er lik enhet.
Også diffusjonshastigheten i faste stoffer, væsker i gasser påvirkes av trykk og stråling. Stråling kan være av ulike typer, inkludert induksjon, så vel som høyfrekvent. Diffusjon begynner når den utsettes for et spesifikt katalysatorstoff. De fungerer ofte som en trigger for fremveksten av en stabil partikkelspredningsprosess.
Ved å bruke Arrhenius-ligningen beskrives koeffisientens avhengighet av temperatur. Det ser slik ut:
$D = D0exp(-E/TR)$ hvor:
- $T$ - absolutt temperatur, som måles i Kelvin,
- $E$ er minimumsenergien som kreves for diffusjon.
Formelen lar deg forstå mer om egenskapene til hele diffusjonsprosessen og bestemmer reaksjonshastigheten.
Spesielle diffusjonsmetoder
I dag er det praktisk talt umulig å bruke konvensjonelle metoder for å bestemme molekylvekten til proteiner. De er vanligvis basert på målingen:
- damp trykk;
- økning i kokepunktet;
- senke frysepunktet for løsninger.
For å effektivt løse problemet, brukes spesielle metoder som er utviklet for studiet av stoffer med høy molekylær struktur. De innebærer å bestemme diffusjonshastigheten eller viskositeten til løsninger.
Metoden for å bestemme orienteringen og formen til porene ved diffusjonshastighet er basert på studiet av dialysehastigheter. Fri diffusjon må skje i membranen på dette tidspunktet.
Ulike radioisotoper kan også brukes for å bestemme natriumdiffusjonshastigheten. Denne spesielle metoden brukes til å løse problemer innen mineralogi og geologi.
Diffusjonsmetoden brukes aktivt, som er basert på bestemmelse av diffusjonen av makromolekyler i løsning. Den ble utviklet for polymere materialer. I henhold til metoden bestemmes diffusjonskoeffisienten, og deretter bestemmes den gjennomsnittlige molekylvekten fra disse dataene.
For tiden er det ingen direkte metoder for å bestemme diffusjonshastigheten til hydrogen i en katalysator. Til dette brukes den såkalte andre aktiveringsveien.
For å bestemme hastigheten er det vanlig å bruke spesielle enheter. De skiller seg i utseende fra de angitte praktiske og vitenskapelige oppgavene.
Teksten til verket er plassert uten bilder og formler.
Den fullstendige versjonen av verket er tilgjengelig i fanen "Jobbfiler" i PDF-format
Diffusjon spiller en enorm rolle i naturen, i menneskelivet og i teknologien. Diffusjonsprosesser kan ha både positive og negative effekter på livet til mennesker og dyr. Et eksempel på en positiv påvirkning er opprettholdelsen av en homogen sammensetning av atmosfærisk luft nær jordoverflaten. Diffusjon spiller en viktig rolle i ulike felt av vitenskap og teknologi, i prosesser som skjer i livlig og livløs natur. Det påvirker forløpet av kjemiske reaksjoner.
Med deltakelse av diffusjon eller i strid med og endring av denne prosessen, kan negative fenomener oppstå i naturen og menneskelivet, for eksempel omfattende forurensning av miljøet av produkter fra menneskelig teknisk fremgang.
Relevans: Diffusjon beviser at legemer er bygd opp av molekyler som er i tilfeldig bevegelse; diffusjon er av stor betydning i livet til mennesker, dyr og planter, så vel som i teknologi.
Mål:
bevise at diffusjon avhenger av temperatur;
vurdere eksempler på diffusjon i hjemmeeksperimenter;
sørge for at diffusjon i ulike stoffer skjer på ulike måter.
Vurder termisk diffusjon av stoffer.
Forskningsmål:
For å studere vitenskapelig litteratur om emnet "Diffusjon".
Bevis diffusjonshastighetens avhengighet av type stoff, temperatur.
Å studere påvirkningen av diffusjonsfenomenet på miljøet og mennesket.
Beskriv og design de mest interessante eksperimentene på diffusjon.
Forskningsmetoder:
Analyse av litteratur og internettmateriell.
Gjennomføre eksperimenter for å studere diffusjonens avhengighet av stofftype og temperatur.
Analyse av resultater.
Studieemne: diffusjonsfenomenet, diffusjonsforløpets avhengighet av ulike faktorer, manifestasjonen av diffusjon i naturen, teknologien, hverdagen.
Hypotese: diffusjon er av stor betydning for menneske og natur.
1. Teoretisk del
1.1.Hva er diffusjon
Diffusjon er en spontan blanding av tilstøtende stoffer, som oppstår på grunn av kaotisk (tilfeldig) bevegelse av molekyler.
En annen definisjon: diffusjon ( lat. diffusjon- distribusjon, spredning, spredning) - prosessen med å overføre stoff eller energi fra et område med høy konsentrasjon til et område med lav konsentrasjon.
Det mest kjente eksemplet på diffusjon er blanding av gasser eller væsker (hvis du slipper blekk i vann, vil væsken få jevn farge etter en stund).
Diffusjon skjer i væsker, faste stoffer og gasser. Diffusjon skjer raskest i gasser, langsommere i væsker og enda langsommere i faste stoffer, noe som skyldes arten av den termiske bevegelsen til partikler i disse mediene. Banen til hver gasspartikkel er en brutt linje, fordi Når partikler kolliderer, endrer de retning og hastighet på bevegelsen. I århundrer har arbeidere sveiset metaller og laget stål ved å varme opp fast jern i en atmosfære av karbon, uten å ha den minste anelse om diffusjonsprosessene som finner sted. Først i 1896. studiet av problemet startet.
Diffusjon av molekyler går veldig sakte. Hvis for eksempel en sukkerbit senkes til bunnen av et glass vann og vannet ikke røres, vil det ta flere uker før løsningen blir homogen.
1.2. Diffusjonens rolle i naturen
Ved hjelp av diffusjon spres ulike gassformige stoffer i luften: for eksempel sprer røyken fra en brann seg over lange avstander. Hvis du ser på skorsteinene til fabrikker og eksosrørene til biler, er det i mange tilfeller synlig røyk i nærheten av skorsteinene. Og så forsvinner han et sted. Røyk løses opp i luft ved diffusjon. Hvis røyken er tett, strekker den seg ganske langt.
Resultatet av diffusjon kan være utjevning av temperaturen i rommet under ventilasjon. På samme måte oppstår luftforurensning med skadelige industriprodukter og kjøretøyeksos. Den naturlige brennbare gassen vi bruker hjemme er fargeløs og luktfri. I tilfelle en lekkasje er det umulig å legge merke til det, derfor på distribusjonsstasjoner blandes gassen med et spesielt stoff som har en skarp, ubehagelig lukt, som lett føles av en person selv i en veldig lav konsentrasjon. Denne forholdsregelen gjør at du raskt kan legge merke til akkumulering av gass i rommet hvis det oppstår en lekkasje (fig. 1).
På grunn av diffusjonsfenomenet består det nedre laget av atmosfæren - troposfæren - av en blanding av gasser: nitrogen, oksygen, karbondioksid og vanndamp. I fravær av diffusjon vil stratifisering skje under påvirkning av tyngdekraften: i bunnen vil det være et lag med tungt karbondioksid, over det - oksygen, over - nitrogen, inerte gasser (fig. 2).
På himmelen observerer vi også dette fenomenet. Spredende skyer er også et eksempel på diffusjon, og hvor nøyaktig F. Tyutchev sier om dette: «Skyer smelter på himmelen ...» (fig. 3)
Blandingen av ferskvann med saltvann ved sammenløpet av elver i havet er basert på diffusjonsprinsippet. Diffusjonen av løsninger av forskjellige salter i jorda bidrar til normal ernæring av planter.
Diffusjon spiller en viktig rolle i livet til planter og dyr. Maur markerer seg med dråper med luktende væske og finner veien hjem (Figur 4)
Takket være diffusjon finner insekter maten sin. Sommerfugler, som flagrer mellom planter, finner alltid veien til en vakker blomst. Etter å ha funnet en søt gjenstand, stormer biene den med svermen sin. Og planten vokser, blomstrer også for dem, takket være diffusjon. Tross alt sier vi at en plante puster og puster ut luft, drikker vann og mottar ulike mikrotilsetningsstoffer fra jorda.
Rovdyr finner også byttet sitt ved diffusjon. Haier lukter blod på flere kilometers avstand, det samme gjør pirajafisk (Figur 5).
Diffusjonsprosesser spiller en viktig rolle i tilførselen av oksygen til naturlige reservoarer og akvarier. Oksygen kommer inn i de dypere vannlagene i stillestående vann på grunn av diffusjon gjennom deres frie overflate. Så for eksempel kan blader eller andemat som dekker overflaten av vannet fullstendig stoppe tilgangen til oksygen til vannet og føre til døden til innbyggerne. Av samme grunn er smalhalsede kar uegnet til bruk som akvarium (Figur 6).
Det er allerede bemerket at det er mye til felles i betydningen av diffusjonsfenomenet for den vitale aktiviteten til planter og dyr. Først av alt bør det bemerkes rollen til diffusjonsutveksling gjennom overflaten av planter i utførelsen av luftveisfunksjonen. For trær observeres for eksempel en spesielt stor utvikling av overflaten (bladkronen), siden diffusjonsutvekslingen gjennom bladoverflaten utfører respirasjonsfunksjonen. K.A. Timiryazev sa: "Enten vi snakker om ernæringen til roten på grunn av stoffer i jorda, om vi snakker om lufternæringen til bladene på grunn av atmosfæren eller ernæringen til ett organ på grunn av et annet, nabolandet, overalt vil vi ty til de samme grunnene for forklaring. : diffusjon” (fig. 7).
På grunn av diffusjon trenger oksygen fra lungene inn i menneskeblodet, og fra blodet inn i vev.
I den vitenskapelige litteraturen studerte jeg prosessen med enveis diffusjon - osmose, dvs. diffusjon av stoffer gjennom semipermeable membraner. Prosessen med osmose skiller seg fra fri diffusjon ved at det ved grensen til to kontaktende væsker er en hindring i form av en skillevegg (membran), som bare er permeabel for løsningsmidlet og slett ikke permeabel for molekylene i det oppløste stoffet ( Fig. 8).
Jordløsninger inneholder mineralsalter og organiske forbindelser. Vann fra jorda kommer inn i planten ved osmose gjennom de semipermeable membranene i rothårene. Konsentrasjonen av vann i jorda er høyere enn inne i rothårene, så vann trenger inn i kornet og gir liv til planten.
1.3. Spredningens rolle i hverdagen og teknologien
Diffusjon brukes i mange teknologiske prosesser: salting, sukkerproduksjon (sukkerroespon vaskes med vann, sukkermolekyler diffunderer fra sponene inn i løsningen), syltetøykoking, stofffarging, klesvask, karburering, sveising og lodding av metaller, inkludert diffusjon sveising i vakuum (det sveises metaller som ikke kan sammenføyes med andre metoder - stål med støpejern, sølv med rustfritt stål, etc.) og diffusjonsmetallisering av produkter (overflatemetning av stålprodukter med aluminium, krom, silisium), nitrering - metning av ståloverflaten med nitrogen (stål blir hardt, slitesterkt), karburering - metning av stålprodukter med karbon, cyanidering - metning av ståloverflaten med karbon og nitrogen.
Spredning av lukt i luften er det vanligste eksemplet på diffusjon i gasser. Hvorfor sprer lukten seg ikke umiddelbart, men etter en stund? Faktum er at mens de beveger seg i en bestemt retning, kolliderer molekylene til et luktende stoff med luftmolekyler. Banen til hver gasspartikkel er en brutt linje, fordi Når partikler kolliderer, endrer de retning og hastighet på bevegelsen.
2. Praktisk del
Hvor mange fantastiske og interessante ting som skjer rundt oss! Jeg vil lære mye, prøve å forklare på egenhånd. Derfor bestemte jeg meg for å gjennomføre en serie eksperimenter, der jeg prøvde å finne ut om diffusjonsteorien virkelig er gyldig, om den finner sin bekreftelse i praksis. Enhver teori kan betraktes som pålitelig bare hvis den gjentatte ganger bekreftes eksperimentelt.
Erfaring nr. 1 Observasjon av fenomenet diffusjon i væsker
Mål: studere diffusjon i en væske. Observer oppløsningen av biter av kaliumpermanganat i vann, ved konstant temperatur (ved t = 20 ° C)
Enheter og materialer: glass vann, termometer, kaliumpermanganat.
Jeg tok et stykke kaliumpermanganat og to glass rent vann ved en temperatur på 20 ° C. Jeg puttet biter av kaliumpermanganat i glass og begynte å observere hva som skjedde. Etter 1 minutt begynner vannet i glassene å bli flekker.
Vann er et godt løsemiddel. Under påvirkning av vannmolekyler blir bindingene mellom molekylene av kaliumpermanganat-faststoffer ødelagt.
I det første glasset blandet jeg ikke løsningen, men i det andre blandet jeg den. Ved å røre vannet (riste) sørget jeg for at diffusjonsprosessen er mye raskere (2 minutter)
Fargen på vannet i det første glasset blir mer intens etter hvert som tiden går. Vannmolekyler trenger inn mellom kaliumpermanganatmolekyler og bryter tiltrekningskreftene. Samtidig med tiltrekningskreftene mellom molekylene begynner frastøtende krefter å virke, og som et resultat blir krystallgitteret til faststoffet ødelagt. Prosessen med å løse opp kaliumpermanganat er over. Varigheten av eksperimentet er 3 timer og 15 minutter. Vannet ble helt rødt (Figur 9-12).
Det kan konkluderes med at diffusjonsfenomenet i en væske er en lang prosess, som resulterer i oppløsning av faste stoffer.
Jeg ønsket å finne ut hva annet som bestemmer diffusjonshastigheten.
Forsøk nr. 2 Studerer diffusjonshastighetens avhengighet av temperatur
Mål: studere hvordan vanntemperaturen påvirker diffusjonshastigheten.
Enheter og materialer: termometre - 1 stk, stoppeklokke - 1 stk, glass - 4 stk, te, kaliumpermanganat.
(Erfaring med å lage te ved en starttemperatur på 20°C og ved en temperatur på 100°C i to glass).
Vi tok to glass vann ved t=20°C og t=100°C. Figurene viser forsøksforløpet etter en viss tid fra begynnelsen: ved begynnelsen av forsøket - Fig. 1, etter 30 s. - Fig. 2, etter 1 min. - Fig. 3, etter 2 min. - Fig. 4, etter 5 min. - Figur 5, etter 15 min. - fig.6. Fra denne erfaringen kan vi konkludere med at diffusjonshastigheten påvirkes av temperatur: jo høyere temperatur, jo høyere diffusjonshastighet (fig. 13-17).
Jeg fikk samme resultat da jeg tok 2 glass vann i stedet for te. I en av dem var det vann i romtemperatur, i det andre kokende vann.
Jeg droppet samme mengde kaliumpermanganat i hvert glass. I glasset der vanntemperaturen var høyere, gikk diffusjonsprosessen mye raskere (Fig. 18-23.)
Derfor avhenger diffusjonshastigheten av temperaturen - jo høyere temperatur, jo mer intens diffusjon oppstår.
Forsøk nr. 3 Observasjon av diffusjon ved bruk av kjemiske reagenser
Mål: Observasjon av diffusjonsfenomenet på avstand.
Utstyr: bomullsull, ammoniakk, fenolftalein, reagensrør.
Erfaringsbeskrivelse: Hell ammoniakk i et reagensrør. Fukt et stykke bomullsull med fenolftalein og legg det på toppen i et reagensrør. Etter en tid observerer vi fargingen av fleeceen (fig. 24-26).
Ammoniakk fordamper; ammoniakkmolekyler trengte inn i bomullsull fuktet med fenolftalein, og den ble flekkete, selv om bomullsullen ikke ble brakt i kontakt med alkohol. Alkoholmolekyler blandet seg med luftmolekyler og nådde fleece. Dette eksperimentet demonstrerer diffusjonsfenomenet på avstand.
Erfaring nummer 4. Observasjon av fenomenet diffusjon i gasser
Mål: studie av endringer i diffusjon av gass i luft avhengig av endringer i temperaturen i rommet.
Enheter og materialer: stoppeklokke, parfyme, termometer
Beskrivelse av erfaring og resultater:Jeg har studert tidspunktet da parfymelukten spredte seg på kontoret V=120m 3 ved temperaturen t = +20 0 . Tiden fra begynnelsen av spredningen av lukten i rommet til tilegnelsen av en klar følsomhet hos mennesker som står i en avstand på 10 m fra objektet som studeres (parfyme) ble registrert. (fig 27-29)
Erfaring nr. 5 Å løse opp biter av gouache i vann, ved konstant temperatur
Mål:
Enheter og materialer: tre glass, vann, gouache i tre farger.
Beskrivelse av erfaringen og oppnådde resultater:
De tok tre glass, tok vann t = 25 0 C, kastet identiske biter av gouache i glass.
Vi begynte å observere oppløsningen av gouache.
Bilder tatt etter 1 minutt, 5 minutter, 10 minutter, 20 minutter, oppløsning avsluttet etter 4 timer 19 minutter (Figur 30-34)
Erfaring nr. 6 Observasjon av fenomenet diffusjon i faste stoffer
Mål: observasjon av diffusjon i faste stoffer.
Enheter og materialer: eple, potet, gulrot, "strålende grønn" løsning, pipette.
Beskrivelse av erfaringen og oppnådde resultater:
Vi kutter eplet, gulrot, potet "dryppgrønt" i en av halvdelene.
Å se flekken spre seg over overflaten
Vi kuttet på kontaktstedet med den strålende grønne for å se hvor dypt den penetrerte innsiden (fig. 35-37)
Hvordan utføre et eksperiment for å bekrefte hypotesen om muligheten for diffusjon i faste stoffer? Er det mulig å blande stoffer i en slik aggregeringstilstand? Mest sannsynlig er svaret "Ja". Men det er praktisk å observere diffusjon i faste stoffer (veldig viskøse) ved å bruke tykke geler. Dette er en tett løsning av gelatin. Den kan tilberedes som følger: løs 4-5 g tørr spiselig gelatin i kaldt vann. Gelatin må først svelle i flere timer, og deretter er det helt oppløst under omrøring i 100 ml vann, senket ned i et kar med varmt vann. Etter avkjøling oppnås en 4-5% gelatinløsning.
Erfaring nr. 7 Observasjon av diffusjon ved bruk av tykke geler
Mål: Observasjon av fenomenet diffusjon i faste stoffer (ved hjelp av en tykk løsning av gelatin).
Utstyr: 4 % gelatinløsning, reagensrør, en liten krystall av kaliumpermanganat, pinsett.
Beskrivelse og resultat av eksperimentet: Plasser gelatinløsningen i et reagensrør, i midten av reagensrøret raskt, i en bevegelse, sett inn en krystall av kaliumpermanganat med en pinsett.
Kaliumpermanganatkrystall i begynnelsen av eksperimentet
Plasseringen av krystallen i et hetteglass med en løsning av gelatin etter 1,5 timer
I løpet av få minutter vil en lillafarget kule begynne å vokse rundt krystallen, over tid blir den større og større. Dette betyr at substansen i krystallen sprer seg i alle retninger med samme hastighet (fig. 38-39)
Diffusjon skjer i faste stoffer, men mye langsommere enn i væsker og gasser.
Erfaring nr. 8 Temperaturforskjell i en væske - termisk diffusjon
Mål: Observasjon av fenomenet termisk diffusjon.
Utstyr: 4 like glasskrukker, 2 farger maling, varmt og kaldt vann, 2 plastkort.
Beskrivelse og resultat av eksperimentet:
1. Legg litt rød maling på kar 1 og 2, blå maling på kar 3 og 4.
2. Hell varmt vann i kar 1 og 2.
3. Hell kaldt vann i kar 3 og 4.
4. Kar 1 dekkes med et plastkort, snus opp ned og legges på kar 4.
5. Kar 3 dekkes med et plastkort, snus opp ned og legges på kar 2.
6. Fjern begge kortene.
Dette eksperimentet demonstrerer effekten av termisk diffusjon. I det første tilfellet er varmt vann på toppen av kaldt vann og diffusjon skjer ikke før temperaturene er like. Og i det andre tilfellet, tvert imot, er det varmt i bunnen og kaldt på toppen. Og i det andre tilfellet begynner varmtvannsmolekylene å bevege seg oppover, og kaldtvannsmolekylene - nedover (fig. 41-44).
Konklusjon
I løpet av dette forskningsarbeidet kan det konkluderes med at diffusjon spiller en stor rolle i livet til mennesker og dyr.
I løpet av dette forskningsarbeidet kan det konkluderes med at varigheten av diffusjon avhenger av temperatur: jo høyere temperatur, jo raskere skjer diffusjon.
Jeg studerte diffusjonsfenomenet på eksemplet med forskjellige stoffer.
Strømningshastigheten avhenger av typen stoff: i gasser strømmer den raskere enn i væsker; i faste stoffer går diffusjonen mye langsommere Dette utsagnet kan forklares som følger: gassmolekyler er frie, befinner seg på avstander som er mye større enn molekylenes størrelse, og beveger seg med høy hastighet. Molekylene til væsker er ordnet like tilfeldig som i gasser, men mye tettere. Hvert molekyl, som er omgitt av nabomolekyler, beveger seg sakte inne i væsken. Molekyler av faste stoffer svinger rundt likevektsposisjonen.
Det er termisk diffusjon.
Bibliografi
Gendenstein, L.E. Fysikk. 7. klasse. Del 1 / L.E. Gendenshtein, A.B., Kaydalov. - M: Mnemosyne, 2009.-255 s.;
Kirillova, I.G. En bok for lesing i fysikk for elever på 7. trinn på ungdomsskolen / I.G. Kirillova.- M., 1986.-207 s.;
Olgin, O. Eksperimenter uten eksplosjoner / O. Olgin.- M.: Khimik, 1986.-192 s.;
Peryshkin, A.V. Lærebok i fysikk 7. klasse / A.V. Peryshkin.- M., 2010.-189 s.;
Razumovsky, V.G. Kreative oppgaver i fysikk / V.G. Razumovsky.- M., 1966.-159 s.;
Ryzhenkov, A.P. Fysikk. Menneskelig. Miljø: Søknad til læreboken i fysikk for 7. klasse av utdanningsinstitusjoner / A.P. Ryzhenkov.- M., 1996.- 120 s.;
Chuyanov, V.A. Encyclopedic Dictionary of a Young Physicist / V.A. Chuyanov.- M., 1984.- 352 s.;
Shablovsky, V. Underholdende fysikk / V. Shablovsky. S.-P., Trigon, 1997.-416 s.
applikasjon
bilde 1
figur 2
figur 3
figur 4
figur 5
figur 6
figur 7
Løsemiddelpartikler (blå) er i stand til å krysse membranen,
oppløste partikler (røde) er det ikke.
figur 8
figur 9
figur 10
figur 11
figur 12
figur 13
figur 14
figur 15
figur 16
figur 17
figur 18
figur 19
figur 20
figur 21
figur 22
figur 23
figur 24
figur 25
figur 26
figur 27
figur 28
figur 29
figur 30
figur 31
figur 32
figur 33
figur 34
figur 35
figur 36
Side 1
Diffusjonshastigheten til stedet for krystallisering, og dermed veksten av krystaller, avhenger i stor grad av viskositeten til mediet og øker med synkende viskositet.
Diffusjonshastigheten øker med økende temperatur.
| Skjema av diffusjonsmekanismer. |
Diffusjonshastigheten bestemmes av mengden stoff m som diffunderer gjennom enhetsareal av grensesnittet per tidsenhet. Mengden av diffuserende (per tidsenhet) stoff m avhenger av konsentrasjonsgradienten dC / dx til elementet i retningen normal til grensesnittet og er proporsjonal med diffusjonskoeffisienten D: m - D (dC / dx), hvor dC er konsentrasjonen; dx - avstand i valgt retning.
Diffusjonshastigheten reduseres betydelig hvis metallet er lett oksidert. Palladium og noen andre metaller blir spesielt ødelagt ved foreløpig varmebehandling. Chem fant at diffusjonshastigheten for det nye passive palladiumet synker til en femtiendedel av den opprinnelige verdien etter oppvarming i flere timer til 1000 C. Permeabiliteten gjenopprettes ved oppvarming til 500 C i oksygen, og det dannes en oksygenfilm, som deretter gjenopprettes av behandling med hydrogen ved 150 C. Oppvarming i nitrogen øker permeabiliteten til palladium. Bauclo og Kaiser [5a] fant at graden av hydrogendiffusjon gjennom nikkel forblir konstant opp til 850 C og avtar gradvis ved høyere temperaturer. Etter seks timer ved 1060 C synker hastigheten med 30 % av den opprinnelige verdien.
Diffusjonshastigheten avhenger også av den foreløpige varmebehandlingen av metallet som diffusjon skjer gjennom. Hvis et nylaget palladiumpreparat, frigjort for gass, gir en viss diffusjonshastighet ved 300 og 760 mm trykk, kan et annet palladiumpreparat kreve oppvarming, for eksempel til 600 ved 760 mm trykk, for å gi samme diffusjonshastighet. Hvis jern var i kontakt med nitrogen, kan diffusjonshastigheten til hydrogen være 10 - 15 ganger høyere, men diffusjonskurvene faller sammen med deres tidligere posisjon når de varmes opp til høyere temperaturer.
Diffusjonshastigheter spiller også en avgjørende rolle i reaksjoner mellom en polymer og reagenser hvis molekyler er små. Hvis for eksempel diffusjonshastigheten av oksygen til gummi ikke er rask nok til å opprettholde sin konstante konsentrasjon i polymerprøven, blir diffusjon den hastighetsbestemmende prosessen, og alle forsøk på kvantitative kinetiske målinger vil mislykkes. De samme effektene er også mulige i heterogene hydrolysereaksjoner.
Diffusjonshastigheten er proporsjonal med den totale konsentrasjonen av løsningen og øker kraftig med økende temperatur. I sin tur fører akselerasjonen av diffusjon til en akselerasjon av elektrolyse. Så, for eksempel, under elektrolyse med omrøring fra en kald løsning av SnQ4 0, frigjøres 2 g tinn av en strøm på 15 - 17 A på 70 minutter, og fra en varm løsning på bare 30 minutter.
Diffusjonshastigheten bør tilsynelatende avta med en reduksjon i porediameteren, og den nøyaktige funksjonelle avhengigheten mellom disse mengdene vil bli bestemt av typen diffusjon inne i porene. La oss vurdere tilfellet med en katalysator som inneholder så små partikler av metallisk palladium at de fordeles over overflaten av aktivert karbon med samme tetthet, uavhengig av porediameteren.
Diffusjons- og fordampningshastigheten i en turbulent strømning bestemmes av slike egenskaper som intensiteten og omfanget av turbulens.
Diffusjonshastigheten bestemmes av konsentrasjonsforskjellen, temperaturen og viskositeten til mediet.