Unter den zahlreichen Phänomenen der Physik ist der Diffusionsprozess einer der einfachsten und verständlichsten. Denn jeden Morgen, wenn man sich einen duftenden Tee oder Kaffee zubereitet, hat man die Möglichkeit, diese Reaktion in der Praxis zu beobachten. Erfahren Sie mehr über diesen Prozess und die Bedingungen für sein Auftreten in verschiedenen Aggregatzuständen.

Was ist Diffusion?

Dieses Wort bezieht sich auf das Eindringen von Molekülen oder Atomen einer Substanz zwischen ähnlichen Struktureinheiten einer anderen. In diesem Fall wird die Konzentration eindringender Verbindungen nivelliert.

Dieser Vorgang wurde erstmals 1855 von dem deutschen Wissenschaftler Adolf Fick ausführlich beschrieben.

Der Name dieses Begriffs leitet sich vom lateinischen diffusio (Wechselwirkung, Streuung, Verteilung) ab.

Diffusion in Flüssigkeit

Der betrachtete Prozess kann bei Stoffen in allen drei Aggregatzuständen ablaufen: gasförmig, flüssig und fest. Um praktische Beispiele dafür zu finden, genügt ein Blick in die Küche.

Im Ofen gekochter Borschtsch ist einer davon. Unter dem Einfluss der Temperatur reagieren die Moleküle des Glucosin-Betanins (eine Substanz, die den Rüben eine so satte scharlachrote Farbe verleiht) gleichmäßig mit Wassermolekülen und verleihen ihr einen einzigartigen burgunderroten Farbton. Dieser Fall liegt in Flüssigkeiten vor.

Neben Borschtsch lässt sich dieser Vorgang auch bei einem Glas Tee oder Kaffee beobachten. Beide Getränke haben einen so einheitlichen satten Farbton, weil sich Teeblätter oder Kaffeepartikel, die sich in Wasser auflösen, gleichmäßig zwischen ihren Molekülen verteilen und sie färben. Die Wirkung aller beliebten Instantgetränke der Neunzigerjahre basiert auf dem gleichen Prinzip: Yupi, Invite, Zuko.

Durchdringung von Gasen

Geruchstragende Atome und Moleküle sind in aktiver Bewegung und vermischen sich dadurch mit Partikeln, die sich bereits in der Luft befinden, und verteilen sich ziemlich gleichmäßig im Raumvolumen.

Dies ist eine Manifestation der Diffusion in Gasen. Bemerkenswert ist, dass auch das Einatmen von Luft zum betrachteten Vorgang gehört, ebenso wie der appetitliche Duft von frisch zubereitetem Borschtsch in der Küche.

Diffusion in Feststoffen

Der Küchentisch, auf dem die Blumen stehen, ist mit einer leuchtend gelben Tischdecke bedeckt. Sie erhielt einen ähnlichen Farbton aufgrund der Diffusionsfähigkeit in Feststoffen.

Der Prozess, der Leinwand einen gleichmäßigen Farbton zu verleihen, erfolgt in mehreren Schritten wie folgt.

1. Gelbe Pigmentpartikel diffundierten im Färbetank in Richtung des Fasermaterials.
2. Anschließend wurden sie von der Außenfläche des gefärbten Stoffes absorbiert.
3. Der nächste Schritt war erneut die Diffusion des Farbstoffs, dieses Mal jedoch in die Fasern der Leinwand.
4. Im Endeffekt fixierte der Stoff die Pigmentpartikel und wurde dadurch gefärbt.

Diffusion von Gasen in Metallen

Wenn man über diesen Prozess spricht, betrachtet man normalerweise die Wechselwirkung von Substanzen in denselben Aggregatzuständen. Zum Beispiel Diffusion in Festkörpern, Feststoffen. Um dieses Phänomen zu beweisen, wird ein Experiment mit zwei gegeneinander gepressten Metallplatten (Gold und Blei) durchgeführt. Die gegenseitige Durchdringung ihrer Moleküle dauert ziemlich lange (einen Millimeter in fünf Jahren). Mit diesem Verfahren werden ungewöhnliche Schmuckstücke hergestellt.

Allerdings sind auch Verbindungen in unterschiedlichen Aggregatzuständen zur Diffusion fähig. Beispielsweise kommt es zur Diffusion von Gasen in Festkörpern.

Während der Experimente wurde nachgewiesen, dass ein ähnlicher Prozess im atomaren Zustand abläuft. Zur Aktivierung ist in der Regel eine deutliche Temperatur- und Druckerhöhung erforderlich.

Ein Beispiel für eine solche Gasdiffusion in Feststoffen ist die Wasserstoffkorrosion. Es äußert sich in Situationen, in denen Wasserstoffatome (H 2), die im Zuge einer chemischen Reaktion unter dem Einfluss hoher Temperaturen (von 200 bis 650 Grad Celsius) entstanden sind, zwischen die Strukturpartikel des Metalls eindringen.

Neben Wasserstoff kann es in Festkörpern auch zur Diffusion von Sauerstoff und anderen Gasen kommen. Dieser für das Auge nicht wahrnehmbare Vorgang bringt großen Schaden mit sich, da Metallkonstruktionen dadurch einstürzen können.

Diffusion von Flüssigkeiten in Metallen

Allerdings können nicht nur Gasmoleküle in Feststoffe eindringen, sondern auch Flüssigkeiten. Wie im Fall von Wasserstoff führt dieser Prozess am häufigsten zu Korrosion (wenn es um Metalle geht).

Ein klassisches Beispiel für die Diffusion von Flüssigkeiten in Festkörpern ist die Korrosion von Metallen unter dem Einfluss von Wasser (H 2 O) oder Elektrolytlösungen. Den meisten ist dieser Vorgang eher unter dem Namen Rosten bekannt. Im Gegensatz zur Wasserstoffkorrosion kommt sie in der Praxis deutlich häufiger vor.

Bedingungen für die Beschleunigung der Diffusion. Diffusionskoeffizient

Nachdem Sie sich mit den Stoffen befasst haben, in denen der betrachtete Prozess ablaufen kann, lohnt es sich, sich über die Bedingungen für seinen Ablauf zu informieren.

Die Diffusionsgeschwindigkeit hängt zunächst vom Aggregatzustand der interagierenden Stoffe ab. Je länger eine Reaktion stattfindet, desto langsamer ist ihre Geschwindigkeit.

In dieser Hinsicht wird die Diffusion in Flüssigkeiten und Gasen immer aktiver sein als in Festkörpern.

Wenn man beispielsweise Kristalle von Kaliumpermanganat KMnO 4 (Kaliumpermanganat) ins Wasser wirft, verleihen sie ihm innerhalb weniger Minuten eine schöne purpurrote Farbe. Wenn Sie jedoch ein Stück Eis mit KMnO 4 -Kristallen bestreuen und alles in den Gefrierschrank legen, kann Kaliumpermanganat das gefrorene H 2 O nach einigen Stunden nicht vollständig färben.

Aus dem vorherigen Beispiel lässt sich noch eine Schlussfolgerung über die Diffusionsbedingungen ziehen. Neben dem Aggregatzustand wird auch die Geschwindigkeit der gegenseitigen Durchdringung der Partikel von der Temperatur beeinflusst.

Um die Abhängigkeit des betrachteten Prozesses davon zu berücksichtigen, lohnt es sich, sich mit einem Konzept wie dem Diffusionskoeffizienten vertraut zu machen. Dies ist der Name des quantitativen Merkmals seiner Geschwindigkeit.

In den meisten Formeln wird es mit dem lateinischen Großbuchstaben D bezeichnet und im SI-System wird es in Quadratmetern pro Sekunde (m²/s), manchmal in Zentimetern pro Sekunde (cm 2/m) gemessen.

Der Diffusionskoeffizient ist gleich der Menge an Materie, die über eine Zeiteinheit durch eine Einheitsoberfläche gestreut wird, vorausgesetzt, dass der Dichteunterschied auf beiden Oberflächen (in einem Abstand gleich einer Längeneinheit) gleich eins ist. Die Kriterien, die D bestimmen, sind die Eigenschaften der Substanz, in der der Partikelstreuprozess selbst stattfindet, und deren Art.

Die Abhängigkeit des Koeffizienten von der Temperatur kann mit der Arrhenius-Gleichung beschrieben werden: D = D 0exp (-E/TR).

In der betrachteten Formel ist E die minimale Energie, die zur Aktivierung des Prozesses erforderlich ist; T – Temperatur (gemessen in Kelvin, nicht Celsius); R ist die für ein ideales Gas charakteristische Gaskonstante.

Darüber hinaus wird die Diffusionsgeschwindigkeit in Feststoffen, Flüssigkeiten und Gasen durch Druck und Strahlung (induktiv oder hochfrequent) beeinflusst. Darüber hinaus hängt viel von der Anwesenheit einer katalytischen Substanz ab, die häufig als Auslösemechanismus für den Beginn der aktiven Partikeldispersion fungiert.

Diffusionsgleichung

Dieses Phänomen ist eine besondere Form einer Differentialgleichung mit partiellen Ableitungen.

Ziel ist es, die Abhängigkeit der Konzentration einer Substanz von der Größe und den Koordinaten des Raums (in dem sie diffundiert) sowie von der Zeit zu ermitteln. In diesem Fall charakterisiert der angegebene Koeffizient die Durchlässigkeit des Mediums für die Reaktion.

Am häufigsten wird die Diffusionsgleichung wie folgt geschrieben: ∂φ (r,t)/∂t = ∇ x .

Darin ist φ (t und r) die Dichte des Streumaterials am Punkt r zum Zeitpunkt t. D (φ, r) ist der verallgemeinerte Diffusionskoeffizient bei der Dichte φ am Punkt r.

∇ ist ein Vektordifferentialoperator, dessen Koordinatenkomponenten partielle Ableitungen sind.

Wenn der Diffusionskoeffizient von der Dichte abhängt, ist die Gleichung nichtlinear. Wenn nicht - linear.

Betrachtet man die Definition von Diffusion und die Merkmale dieses Prozesses in verschiedenen Medien, kann man feststellen, dass er sowohl positive als auch negative Seiten hat.

Alles, was uns und um uns herum passiert, weckt immer Interesse. Einer der interessanten Prozesse, an denen viele Menschen interessiert sind, ist die Diffusion. Wenn Sie sich fragen, was Diffusion ist, ist unser Artikel hilfreich.

Was ist Diffusion?

Diffusion ist der Prozess, bei dem sich eine Mischung von einem Bereich hoher Konzentration in einen Bereich niedriger Konzentration bewegt. Der Grund dafür ist die Bewegung von Atomen und Molekülen. Die Ursache ist meist Hitze, unter deren Einfluss der gesamte Prozess abläuft. Es endet, wenn der Konzentrationsgradient endet.

Die Diffusion von Gasen und Flüssigkeiten erfolgt schnell, was bei Feststoffen nicht der Fall ist. Dies ist im Alltag leicht zu erkennen, da das Erhitzen von Wasser viel schneller erfolgt als das Schmelzen von Kunststoff. Zum Vergleich: Viele Leute mischen es mit Kaliumpermanganat, das die Flüssigkeit in wenigen Sekunden färbt. Mit Plastilin ist dies jedoch nicht mehr möglich. Wenn zwei Plastilinstücke gemischt werden, ist ein großer Aufwand erforderlich, damit sie interagieren können. Dies bestätigt einmal mehr, dass die Diffusionsgeschwindigkeit unterschiedlich sein kann. Kunststoffe unterliegen einer schwachen Diffusion, Metalle dagegen.

Diffusion können Partikel sein, die sich immer in der Substanz befinden. Auch Fremdstoffe sind diesem Prozess zugänglich.

Wie induziert man Diffusion?

Damit Diffusion in Gasen und Flüssigkeiten stattfinden kann, muss die Brownsche Bewegung angewendet werden. Es handelt sich um die Bewegung von Molekülen unter dem Einfluss hoher Temperaturen.

Um die Diffusion von Feststoffen anzuregen, kann eine Diffusionspumpe eingesetzt werden. Darin befindet sich Öl, das sich erwärmt und aufsteigt, und dort wird bereits gepumpt. Zu diesem Zeitpunkt strömen die Dämpfe zur Kühlung durch die speziellen Kanäle der Pumpe nach oben und nach unten. Unterwegs fangen sie die Gase ein und nehmen sie mit. Der Dampf kondensiert und strömt in einen speziellen Behälter. All dies ermöglicht es Ihnen, einen minimalen Druck zu erreichen.

Arten der Verbreitung

Verbreitung kann sein:

• kolloidal;
• konvektiv;
• Quantum;
• turbulent.

Die erste Art der Diffusion ist ein Prozess, der in Festkörpern abläuft. Turbulent ist die Übertragung kleinster Partikel in einer turbulenten Strömung. Quantendiffusion wird dort beobachtet, wo sehr niedrige Temperaturen herrschen und Kondensat vorhanden ist. Konvektive Diffusion entsteht, wenn sich Teilchen durch ein Medium bewegen, das sich ebenfalls mit einer bestimmten Geschwindigkeit bewegt.

Häufig lässt sich beobachten, dass Phänomene auf Diffusion zurückgeführt werden, bei denen keine Partikelübertragung erfolgt. In der Optik kann man beispielsweise auf den Prozess der Strahlungsübertragung in einem Medium stoßen, das durch Inhomogenität gekennzeichnet ist. Dieser Vorgang muss mit der Absorption von Photonen einhergehen, die als Diffusion bezeichnet wird.

Wo kann man die Verbreitung im wirklichen Leben sehen?

Das einfachste Beispiel dafür, wie Diffusion funktioniert, ist unsere Atmung. Sauerstoff gelangt in unsere Lunge, wenn sie sich öffnet, und gelangt dann ins Blut. Durch die Diffusion reichert sich Kohlendioxid nicht um den Menschen herum an, sondern vermischt sich mit Sauerstoff und verteilt sich gleichmäßig in der Luft. Dieser Prozess lässt sich auch in anderen Lebensbereichen beobachten.

Diffusion

Ein Beispiel für Diffusion ist die Vermischung von Gasen (zum Beispiel die Verbreitung von Gerüchen) oder Flüssigkeiten (wenn man Tinte in Wasser tropft, wird die Flüssigkeit nach einiger Zeit gleichmäßig gefärbt). Ein weiteres Beispiel bezieht sich auf einen Festkörper: An der Kontaktgrenze vermischen sich die Atome benachbarter Metalle. Die Teilchendiffusion spielt in der Plasmaphysik eine wichtige Rolle.

Normalerweise werden unter Diffusion Prozesse verstanden, die mit der Übertragung von Stoffen einhergehen. Manchmal werden jedoch auch andere Übertragungsprozesse als Diffusion bezeichnet: Wärmeleitfähigkeit, viskose Reibung usw.

Die Diffusionsgeschwindigkeit hängt von vielen Faktoren ab. Bei einem Metallstab findet die Wärmediffusion also sehr schnell statt. Besteht der Stab aus Kunststoff, verläuft die Wärmediffusion langsam. Die Diffusion von Molekülen verläuft im allgemeinen Fall noch langsamer. Wenn beispielsweise ein Stück Zucker auf den Boden eines Glases Wasser gesenkt wird und das Wasser nicht gerührt wird, dauert es mehrere Wochen, bis die Lösung homogen wird. Noch langsamer ist die Diffusion eines Feststoffs in einen anderen. Wenn beispielsweise Kupfer mit Gold beschichtet wird, kommt es zu einer Diffusion von Gold in Kupfer. Unter normalen Bedingungen (Raumtemperatur und Atmosphärendruck) erreicht die goldhaltige Schicht jedoch erst nach mehreren tausend Jahren eine Dicke von mehreren Mikrometern.

Eine quantitative Beschreibung von Diffusionsprozessen lieferte der deutsche Physiologe A. Fick ( Englisch) im Jahr 1855

allgemeine Beschreibung

Alle Arten der Diffusion gehorchen den gleichen Gesetzen. Die Diffusionsrate ist proportional zur Querschnittsfläche der Probe sowie zum Unterschied in Konzentrationen, Temperaturen oder Ladungen (bei relativ kleinen Werten dieser Parameter). Somit breitet sich Wärme durch einen Stab mit einem Durchmesser von zwei Zentimetern viermal schneller aus als durch einen Stab mit einem Durchmesser von einem Zentimeter. Diese Wärme breitet sich schneller aus, wenn der Temperaturunterschied pro Zentimeter 10 °C statt 5 °C beträgt. Die Diffusionsgeschwindigkeit ist auch proportional zu dem Parameter, der ein bestimmtes Material charakterisiert. Bei der thermischen Diffusion wird dieser Parameter als Wärmeleitfähigkeit bezeichnet, beim Fluss elektrischer Ladungen als elektrische Leitfähigkeit. Die Menge einer Substanz, die in einer bestimmten Zeit diffundiert, und die von der diffundierenden Substanz zurückgelegte Strecke sind proportional zur Quadratwurzel der Diffusionszeit.

Diffusion ist ein Prozess auf molekularer Ebene und wird durch die zufällige Natur der Bewegung einzelner Moleküle bestimmt. Die Diffusionsgeschwindigkeit ist daher proportional zur Durchschnittsgeschwindigkeit der Moleküle. Bei Gasen ist die Durchschnittsgeschwindigkeit kleiner Moleküle größer, nämlich umgekehrt proportional zur Quadratwurzel der Masse des Moleküls und nimmt mit steigender Temperatur zu. Diffusionsvorgänge in Festkörpern bei hohen Temperaturen finden häufig praktische Anwendung. Beispielsweise verwenden bestimmte Arten von Kathodenstrahlröhren (CRTs) metallisches Thorium, das bei 2000 °C durch metallisches Wolfram diffundiert.

Wenn in einem Gasgemisch die Masse eines Moleküls viermal größer ist als die des anderen, dann bewegt sich ein solches Molekül doppelt so langsam im Vergleich zu seiner Bewegung in einem reinen Gas. Dementsprechend ist auch seine Diffusionsgeschwindigkeit geringer. Dieser Unterschied in der Diffusionsgeschwindigkeit zwischen leichten und schweren Molekülen wird genutzt, um Stoffe mit unterschiedlichem Molekulargewicht zu trennen. Ein Beispiel ist die Isotopentrennung. Wenn ein Gas, das zwei Isotope enthält, durch eine poröse Membran geleitet wird, dringen die leichteren Isotope schneller durch die Membran als die schwereren. Zur besseren Trennung wird der Prozess mehrstufig durchgeführt. Dieses Verfahren wird häufig zur Trennung von Uranisotopen (Abtrennung von 235 U von der Masse von 238 U) eingesetzt. Da diese Trennmethode energieintensiv ist, wurden andere, wirtschaftlichere Trennmethoden entwickelt. Beispielsweise ist die Nutzung der Thermodiffusion in einem gasförmigen Medium weit verbreitet. Ein Gas, das ein Isotopengemisch enthält, wird in eine Kammer gegeben, in der ein räumlicher Temperaturunterschied (Gradient) aufrechterhalten wird. In diesem Fall konzentrieren sich schwere Isotope im Laufe der Zeit in der kalten Region.

Ficks Gleichungen

Aus thermodynamischer Sicht ist das treibende Potenzial jedes Nivellierungsprozesses das Wachstum der Entropie. Bei konstantem Druck und konstanter Temperatur spielt das chemische Potenzial die Rolle eines solchen Potenzials µ , was die Aufrechterhaltung des Stoffflusses bewirkt. Der Fluss der Substanzteilchen ist proportional zum Potentialgradienten

~

In den meisten praktischen Fällen wird die Konzentration anstelle des chemischen Potenzials verwendet C. Direkter Ersatz µ An C wird bei hohen Konzentrationen falsch, da das chemische Potential nach dem logarithmischen Gesetz keinen Zusammenhang mehr mit der Konzentration hat. Wenn wir solche Fälle nicht berücksichtigen, kann die obige Formel durch Folgendes ersetzt werden:

was zeigt, dass die Flussdichte der Materie J proportional zum Diffusionskoeffizienten D[()] und der Konzentrationsgradient. Diese Gleichung drückt das erste Ficksche Gesetz aus. Das zweite Ficksche Gesetz setzt räumliche und zeitliche Konzentrationsänderungen in Beziehung (Diffusionsgleichung):

Diffusionskoeffizient D Temperaturabhängig. In einer Reihe von Fällen ist diese Abhängigkeit in einem weiten Temperaturbereich die Arrhenius-Gleichung.

Ein zusätzliches Feld, das parallel zum chemischen Potentialgradienten angelegt wird, unterbricht den stationären Zustand. In diesem Fall werden Diffusionsprozesse durch die nichtlineare Fokker-Planck-Gleichung beschrieben. Diffusionsprozesse sind in der Natur von großer Bedeutung:

• Ernährung, Atmung von Tieren und Pflanzen;
• Das Eindringen von Sauerstoff aus dem Blut in menschliches Gewebe.

Geometrische Beschreibung der Fick-Gleichung

In der zweiten Fick-Gleichung steht auf der linken Seite die Konzentrationsänderungsrate über die Zeit und auf der rechten Seite der Gleichung die zweite partielle Ableitung, die die räumliche Konzentrationsverteilung, insbesondere die Konvexität der Temperatur, ausdrückt Verteilungsfunktion projiziert auf die x-Achse.

siehe auch

• Oberflächendiffusion ist ein Prozess, der mit der Bewegung von Partikeln verbunden ist, die auf der Oberfläche eines kondensierten Körpers innerhalb der ersten Oberflächenschicht aus Atomen (Molekülen) oder über dieser Schicht auftreten.

Anmerkungen

Literatur

• Buchshtein B.S. Atome wandern durch den Kristall. - M.: Nauka, 1984. - 208 S. - (Bibliothek „Quantum“, Ausgabe 28). - 150.000 Exemplare.

Links

• Diffusion (Videolektion, Programm der 7. Klasse)
• Diffusion von Verunreinigungsatomen auf der Oberfläche eines Einkristalls

Wikimedia-Stiftung. 2010 .

Synonyme:

Sehen Sie, was „Diffusion“ in anderen Wörterbüchern ist:

- [lat. Diffusionsverteilung, Ausbreitung] physikalisch, chemisch. das Eindringen von Molekülen einer Substanz (Gas, Flüssigkeit, Feststoff) in eine andere bei direktem Kontakt oder durch eine poröse Trennwand. Wörterbuch der Fremdwörter. Komlev N.G.,… … Wörterbuch der Fremdwörter der russischen Sprache

Diffusion- ist das Eindringen von Partikeln eines Stoffes in das Medium, das durch thermische Bewegung in Richtung einer Verringerung der Konzentration eines anderen Stoffes erfolgt. [Blum E.E. Wörterbuch der grundlegenden metallurgischen Begriffe. Jekaterinburg … Enzyklopädie der Begriffe, Definitionen und Erklärungen von Baustoffen

Moderne Enzyklopädie

- (von lat. diffusio, Ausbreitung, Ausbreitung), die Bewegung von Partikeln des Mediums, die zur Übertragung von Materie und zur Angleichung von Konzentrationen oder zur Herstellung einer Gleichgewichtsverteilung der Konzentrationen von Partikeln einer bestimmten Art im Medium führt. In Abwesenheit von… … Großes enzyklopädisches Wörterbuch

DIFFUSION, die Bewegung einer Substanz in einem Gemisch von einem Bereich hoher Konzentration in einen Bereich niedriger Konzentration, verursacht durch die zufällige Bewegung einzelner Atome oder Moleküle. Die Diffusion stoppt, wenn der Konzentrationsgradient verschwindet. Geschwindigkeit… … Wissenschaftliches und technisches Enzyklopädisches Wörterbuch

Diffusion- und ... nun ja. Diffusion f., deutsch. Diffusion lat. diffusio Ausbreitung, Verbreitung. Gegenseitiges Eindringen benachbarter Stoffe ineinander aufgrund der thermischen Bewegung von Molekülen und Atomen. Diffusion von Gasen, Flüssigkeiten. BAS 2. || trans. Sie… … Historisches Wörterbuch der Gallizismen der russischen Sprache

Diffusion- (von lateinisch diffusio distribution, Ausbreitung, Zerstreuung), die Bewegung von Partikeln des Mediums, die zur Übertragung von Materie und zur Angleichung von Konzentrationen oder zur Herstellung ihrer Gleichgewichtsverteilung führt. Die Diffusion wird normalerweise durch thermische Bewegung bestimmt ... ... Illustriertes enzyklopädisches Wörterbuch

Die Bewegung von Partikeln in Richtung einer Verringerung ihrer Konzentration aufgrund thermischer Bewegung. D. führt zur Angleichung der Konzentrationen des diffundierenden Stoffes und zur gleichmäßigen Füllung des Volumens mit Partikeln. ... ... Geologische Enzyklopädie

MOU Zaozernaya-Sekundarschule mit vertieftem Studium einzelner Fächer Nr. 16

Thema: „Verbreitung in der belebten und unbelebten Natur.“

Vollendet:

Schüler der 8. Klasse Zyabrev Kirill.

Physiklehrer: Zavyalova G.M.

Biologielehrerin: Zyabreva V.F.

Tomsk - 2008

I. Einleitung. …………………………………………………………… 3

II. Verbreitung in der belebten und unbelebten Natur.

1. Die Geschichte der Entdeckung des Phänomens. …………………………………. 4

2. Verbreitung, ihre Arten. ………………………………………….. 6

3. Wovon hängt die Diffusionsgeschwindigkeit ab? ……………………….. 7

4. Verbreitung in der unbelebten Natur. ……………………………... 8

5. Verbreitung in der Tierwelt. ………………………………… 9

6. Nutzung von Diffusionsphänomenen. …………………………. 16

7. Gestaltung individueller Diffusionsphänomene. …………… 17

III. Abschluss. …………………………………………………... 20

IV. Gebrauchte Bücher. …………………………………. . 21

I. Einleitung.

Wie viele erstaunliche und interessante Dinge passieren um uns herum. Ferne Sterne leuchten am Nachthimmel, eine Kerze brennt im Fenster, der Wind trägt den Duft blühender Vogelkirschen, eine alternde Großmutter verabschiedet Sie mit ihren Augen ... Ich möchte viel lernen und versuchen, es selbst zu erklären. Schließlich sind viele Naturphänomene mit Diffusionsprozessen verbunden, über die wir kürzlich in der Schule gesprochen haben. Aber sie sagten so wenig!

Arbeitsziele :

1. Wissen über Diffusion erweitern und vertiefen.

2. Simulieren Sie einzelne Diffusionsprozesse.

3. Erstellen Sie zusätzliches computergestütztes Material für den Einsatz im Physik- und Biologieunterricht.

Aufgaben:

1. Finden Sie das notwendige Material in der Literatur, im Internet, studieren und analysieren Sie es.

2. Finden Sie heraus, wo Diffusionsphänomene in der belebten und unbelebten Natur auftreten (Physik und Biologie), welche Bedeutung sie haben und wo sie vom Menschen genutzt werden.

3. Beschreiben und entwerfen Sie die interessantesten Experimente zu diesem Phänomen.

4. Erstellen Sie Animationsmodelle einiger Diffusionsprozesse.

Methoden: Analyse und Synthese von Literatur, Design, Modellierung.

Meine Arbeit besteht aus drei Teilen; Der Hauptteil besteht aus 7 Kapiteln. Ich habe Materialien aus 13 literarischen Quellen studiert und verarbeitet, darunter Bildungs-, Referenz-, wissenschaftliche Literatur und Internetseiten, und außerdem eine Präsentation vorbereitet, die im Power Point-Editor erstellt wurde.

II. Verbreitung in der belebten und unbelebten Natur.

II .1. Die Geschichte der Entdeckung des Phänomens der Diffusion.

Bei der Beobachtung einer Suspension von Blütenpollen in Wasser unter dem Mikroskop beobachtete Robert Brown eine chaotische Bewegung von Partikeln, die „nicht durch die Bewegung einer Flüssigkeit und nicht durch deren Verdunstung“ entsteht. Schwebte Partikel mit einer Größe von 1 µm und weniger, die nur unter dem Mikroskop sichtbar sind, führten ungeordnete unabhängige Bewegungen aus und beschrieben komplexe Zickzack-Trajektorien. Die Brownsche Bewegung wird mit der Zeit nicht schwächer und hängt nicht von den chemischen Eigenschaften des Mediums ab; seine Intensität nimmt mit steigender Temperatur des Mediums und mit abnehmender Viskosität und Partikelgröße zu. Sogar eine qualitative Erklärung der Ursachen der Brownschen Bewegung war erst 50 Jahre später möglich, als die Ursache der Brownschen Bewegung mit den Stößen flüssiger Moleküle auf die Oberfläche eines darin suspendierten Teilchens in Verbindung gebracht wurde.

Die erste quantitative Theorie der Brownschen Bewegung wurde 1905–06 von A. Einstein und M. Smoluchowski aufgestellt. basierend auf der molekularkinetischen Theorie. Es wurde gezeigt, dass zufällige Spaziergänge von Brownschen Teilchen mit ihrer Beteiligung an der thermischen Bewegung zusammen mit den Molekülen des Mediums, in dem sie suspendiert sind, verbunden sind. Teilchen haben im Durchschnitt die gleiche kinetische Energie, aufgrund der größeren Masse jedoch eine geringere Geschwindigkeit. Die Theorie der Brownschen Bewegung erklärt die zufällige Bewegung eines Teilchens durch die Wirkung zufälliger Kräfte von Molekülen und Reibungskräften. Nach dieser Theorie befinden sich die Moleküle einer Flüssigkeit oder eines Gases in ständiger thermischer Bewegung und die Impulse verschiedener Moleküle sind in Größe und Richtung nicht gleich. Wenn die Oberfläche eines Partikels in einem solchen Medium klein ist, wie es bei einem Brownschen Partikel der Fall ist, werden die Stöße, die das Partikel durch die umgebenden Moleküle erfährt, nicht genau kompensiert. Als Folge des „Bombardements“ durch Moleküle beginnt sich ein Brownsches Teilchen zufällig zu bewegen und ändert dabei etwa 1014 Mal pro Sekunde die Größe und Richtung seiner Geschwindigkeit. Aus dieser Theorie folgte, dass man die Avogadro-Zahl berechnen kann, indem man die Verschiebung eines Teilchens über eine bestimmte Zeit misst und seinen Radius und die Viskosität der Flüssigkeit kennt.

Die Schlussfolgerungen der Theorie der Brownschen Bewegung wurden durch die Messungen von J. Perrin und T. Svedberg im Jahr 1906 bestätigt. Basierend auf diesen Beziehungen wurden die Boltzmann-Konstante und die Avogadro-Konstante experimentell bestimmt. (Avogadros Konstante bezeichnet mit NA, der Anzahl der Moleküle oder Atome in 1 Mol einer Substanz, NA = 6.022.1023 mol-1; Name zu Ehren von A. Avogadro.

Boltzmann-Konstante, physikalische Konstante k gleich dem Verhältnis der universellen Gaskonstante R zur Zahl von Avogadro N A: k = R / N A = 1,3807,10-23 J/K. Benannt nach L. Boltzmann.)

Bei der Beobachtung der Brownschen Bewegung wird die Position eines Teilchens in regelmäßigen Abständen festgelegt. Je kürzer die Zeitintervalle, desto unterbrochener sieht die Flugbahn des Teilchens aus.

Die Muster der Brownschen Bewegung dienen als klare Bestätigung der grundlegenden Bestimmungen der molekularkinetischen Theorie. Schließlich wurde festgestellt, dass die thermische Form der Materiebewegung auf die chaotische Bewegung von Atomen oder Molekülen zurückzuführen ist, aus denen makroskopische Körper bestehen.

Die Theorie der Brownschen Bewegung spielte eine wichtige Rolle bei der Begründung der statistischen Mechanik; sie ist die Grundlage für die kinetische Theorie der Koagulation (Mischung) wässriger Lösungen. Darüber hinaus hat sie auch praktische Bedeutung in der Messtechnik, da die Brownsche Bewegung als Hauptfaktor für die Genauigkeit von Messgeräten gilt. Beispielsweise wird die Genauigkeitsgrenze der Messwerte eines Spiegelgalvanometers durch das Zittern des Spiegels bestimmt, wie ein Brownsches Teilchen, das von Luftmolekülen bombardiert wird. Die Gesetze der Brownschen Bewegung bestimmen die zufällige Bewegung von Elektronen und verursachen Rauschen in elektrischen Schaltkreisen. Dielektrische Verluste in Dielektrika werden durch zufällige Bewegungen der Dipolmoleküle erklärt, aus denen das Dielektrikum besteht. Zufällige Bewegungen von Ionen in Elektrolytlösungen erhöhen deren elektrischen Widerstand.

Flugbahnen Brownscher Teilchen (Schema von Perrins Experiment); Die Punkte markieren in regelmäßigen Abständen die Positionen der Partikel.

Auf diese Weise, DIFFUSION ODER BROWNsche BEWEGUNG - Das zufällige Bewegung kleinster Partikel, die in einer Flüssigkeit oder einem Gas suspendiert sind und unter dem Einfluss von Umweltmolekülen auftreten; offen

R. Brown im Jahr 1827

II. 2. Verbreitung, ihre Arten.

Unterscheiden Sie zwischen Diffusion und Selbstdiffusion.

durch Diffusion bezeichnet das spontane Eindringen von Molekülen eines Stoffes in die Lücken zwischen den Molekülen eines anderen Stoffes. In diesem Fall werden die Partikel vermischt. Diffusion wird bei Gasen, Flüssigkeiten und Feststoffen beobachtet. Beispielsweise wird ein Tropfen Tinte in ein Glas Wasser gemischt. Oder der Duft von Eau de Cologne breitet sich im ganzen Raum aus.

Diffusion existiert ebenso wie Selbstdiffusion, solange ein Stoffdichtegradient vorhanden ist. Wenn die Dichte ein und derselben Substanz in verschiedenen Teilen des Volumens nicht gleich ist, wird das Phänomen der Selbstdiffusion beobachtet. Durch Selbstverbreitung wird als Vorgang des Dichteausgleichs bezeichnet(oder Konzentration proportional dazu) die gleiche Substanz. Diffusion und Selbstdiffusion erfolgen aufgrund der thermischen Bewegung von Molekülen, die in Nichtgleichgewichtszuständen Materieflüsse erzeugen.

Die Massenflussdichte ist die Masse der Materie ( dm) diffundiert pro Zeiteinheit durch eine Flächeneinheit ( dS pl) senkrecht zur Achse X :

(1.1)

Das Phänomen der Diffusion gehorcht dem Fickschen Gesetz

(1.2)

Dabei ist der Modul des Dichtegradienten, der die Geschwindigkeit der Dichteänderung in Richtung der Achse bestimmt X ;

D- Diffusionskoeffizient, der aus der molekularkinetischen Theorie nach der Formel berechnet wird

(1.3)

wo ist die durchschnittliche Geschwindigkeit der thermischen Bewegung von Molekülen;

Mittlere freie Weglänge von Molekülen.

Das Minuszeichen zeigt an, dass der Stoffübergang in Richtung abnehmender Dichte erfolgt.

Gleichung (1.2) wird Diffusionsgleichung oder Ficksches Gesetz genannt.

II. 3. Diffusionsrate.

Wenn sich ein Teilchen in einer Substanz bewegt, kollidiert es ständig mit seinen Molekülen. Dies ist einer der Gründe, warum die Diffusion unter normalen Bedingungen langsamer ist als die normale Bewegung. Wovon hängt die Diffusionsgeschwindigkeit ab?

Erstens auf den durchschnittlichen Abstand zwischen Teilchenkollisionen, d. h. freie Weglänge. Je größer diese Länge ist, desto schneller dringt das Teilchen in den Stoff ein.

Zweitens beeinflusst der Druck die Geschwindigkeit. Je dichter die Teilchenpackung in einem Stoff ist, desto schwieriger ist es für ein fremdes Teilchen, in eine solche Packung einzudringen.

Drittens spielt das Molekulargewicht einer Substanz eine wichtige Rolle für die Diffusionsgeschwindigkeit. Je größer das Ziel, desto wahrscheinlicher ist es, dass es trifft, und nach einer Kollision nimmt die Geschwindigkeit immer ab.

Und viertens die Temperatur. Mit steigender Temperatur nehmen die Schwingungen der Teilchen zu und die Geschwindigkeit der Moleküle nimmt zu. Allerdings ist die Diffusionsgeschwindigkeit tausendmal langsamer als die Geschwindigkeit der freien Bewegung.

Alle Diffusionsarten gehorchen den gleichen Gesetzen und werden durch den Diffusionskoeffizienten D beschrieben, der ein Skalarwert ist und aus dem ersten Fickschen Gesetz bestimmt wird.

Für eindimensionale Diffusion ,

wobei J die Flussdichte von Atomen oder Defekten der Substanz ist,
D - Diffusionskoeffizient,
N ist die Konzentration von Atomen oder Defekten der Substanz.

Diffusion ist ein Prozess auf molekularer Ebene und wird durch die zufällige Natur der Bewegung einzelner Moleküle bestimmt. Die Diffusionsgeschwindigkeit ist daher proportional zur Durchschnittsgeschwindigkeit der Moleküle. Bei Gasen ist die Durchschnittsgeschwindigkeit kleiner Moleküle größer, nämlich umgekehrt proportional zur Quadratwurzel der Masse des Moleküls und nimmt mit steigender Temperatur zu. Diffusionsvorgänge in Festkörpern bei hohen Temperaturen finden häufig praktische Anwendung. Beispielsweise verwenden bestimmte Arten von Kathodenstrahlröhren (CRTs) metallisches Thorium, das bei 2000 °C durch metallisches Wolfram diffundiert.

Wenn in einem Gasgemisch ein Molekül viermal schwerer ist als das andere, dann bewegt sich ein solches Molekül doppelt so langsam im Vergleich zu seiner Bewegung in einem reinen Gas. Dementsprechend ist auch seine Diffusionsgeschwindigkeit geringer. Dieser Unterschied in der Diffusionsgeschwindigkeit zwischen leichten und schweren Molekülen wird genutzt, um Stoffe mit unterschiedlichem Molekulargewicht zu trennen. Ein Beispiel ist die Trennung von Isotopen. Wenn ein Gas, das zwei Isotope enthält, durch eine poröse Membran geleitet wird, dringen die leichteren Isotope schneller durch die Membran als die schwereren. Zur besseren Trennung wird der Prozess mehrstufig durchgeführt. Dieses Verfahren wird häufig zur Trennung von Uranisotopen eingesetzt (Abtrennung des unter Neutronenbestrahlung spaltbaren 235U von der Masse des 238U). Da diese Trennmethode energieintensiv ist, wurden andere, wirtschaftlichere Trennmethoden entwickelt. Beispielsweise ist die Nutzung der Thermodiffusion in einem gasförmigen Medium weit verbreitet. Ein Gas, das ein Isotopengemisch enthält, wird in eine Kammer gegeben, in der ein räumlicher Temperaturunterschied (Gradient) aufrechterhalten wird. In diesem Fall konzentrieren sich schwere Isotope im Laufe der Zeit in der kalten Region.

Abschluss. Diffuse Veränderungen werden beeinflusst durch:

· Molekulargewicht der Substanz (je höher das Molekulargewicht, desto geringer die Geschwindigkeit);

· der durchschnittliche Abstand zwischen Partikelkollisionen (je größer die Weglänge, desto größer die Geschwindigkeit);

· Druck (je größer die Partikelpackung, desto schwieriger ist es, sie zu durchbrechen),

· Temperatur (mit steigender Temperatur nimmt die Geschwindigkeit zu).

II.4. Verbreitung in der unbelebten Natur.

Wussten Sie, dass unser ganzes Leben auf einem seltsamen Paradoxon der Natur basiert? Jeder weiß, dass die Luft, die wir atmen, aus Gasen unterschiedlicher Dichte besteht: Stickstoff N 2 , Sauerstoff O 2 , Kohlendioxid CO 2 und eine kleine Menge anderer Verunreinigungen. Und diese Gase sollten entsprechend der Schwerkraft in Schichten angeordnet sein: Das schwerste CO 2 befindet sich an der Erdoberfläche, darüber O 2 und noch höher N 2. Aber das passiert nicht. Wir sind von einem homogenen Gasgemisch umgeben. Warum erlischt die Flamme nicht? Denn der ihn umgebende Sauerstoff verbrennt schnell? Hier wirkt wie im ersten Fall der Ausrichtungsmechanismus. Diffusion verhindert ein Ungleichgewicht in der Natur!

Warum ist das Meer salzig? Wir wissen, dass Flüsse ihren Weg durch die Dicke von Gestein, Mineralien und Waschsalzen ins Meer bahnen. Wie wird Salz mit Wasser vermischt? Dies kann mit einer einfachen Erfahrung erklärt werden:

ERFAHRUNGSBESCHREIBUNG: Gießen Sie eine wässrige Kupfersulfatlösung in ein Glasgefäß. Gießen Sie vorsichtig sauberes Wasser über die Lösung. Wir beobachten die Grenze zwischen Flüssigkeiten.

Frage: Was wird mit diesen Flüssigkeiten im Laufe der Zeit passieren und was werden wir beobachten?

Mit der Zeit beginnt die Grenze zwischen den sich berührenden Flüssigkeiten zu verschwimmen. Ein Gefäß mit Flüssigkeiten kann in einen Schrank gestellt werden und man kann jeden Tag beobachten, wie es zu einer spontanen Vermischung von Flüssigkeiten kommt. Am Ende entsteht im Gefäß eine homogene Flüssigkeit von blassblauer Farbe, die im Licht nahezu farblos ist.

Kupfersulfatpartikel sind schwerer als Wasser, steigen aber durch Diffusion langsam auf. Der Grund liegt in der Struktur der Flüssigkeit. Flüssige Teilchen sind in kompakte Gruppen gepackt – Pseudokerne. Sie sind durch Hohlräume – Löcher – voneinander getrennt. Die Kerne sind nicht stabil, ihre Teilchen sind nicht lange im Gleichgewicht. Sobald das Teilchen Energie abgibt, löst es sich vom Kern und fällt in Hohlräume. Von dort aus springt es problemlos zu einem anderen Kern und so weiter.

Aus Löchern beginnen Moleküle einer Fremdsubstanz ihre Reise durch die Flüssigkeit. Unterwegs kollidieren sie mit Kernen, schleudern Teilchen aus ihnen heraus und nehmen deren Platz ein. Sie bewegen sich von einem freien Ort zum anderen und vermischen sich langsam mit flüssigen Partikeln. Wir wissen bereits, dass die Diffusionsrate niedrig ist. Daher dauerte dieses Experiment unter normalen Bedingungen 18 Tage, mit Erhitzen 2-3 Minuten.

Abschluss: In den Flammen der Sonne, im Leben und Sterben entfernter leuchtender Sterne, in der Luft, die wir atmen, in Wetterveränderungen, in fast allen physikalischen Phänomenen sehen wir die Manifestation allmächtiger Diffusion!

II.5. Verbreitung in der Tierwelt.

Diffusionsprozesse sind derzeit gut untersucht, ihre physikalischen und chemischen Gesetze sind etabliert und sie sind durchaus auf die Bewegung von Molekülen in einem lebenden Organismus anwendbar. Die Diffusion in lebenden Organismen ist untrennbar mit der Plasmamembran der Zelle verbunden. Daher ist es notwendig herauszufinden, wie es aufgebaut ist und wie seine Strukturmerkmale mit dem Stofftransport in der Zelle zusammenhängen.

Die Plasmamembran (Plasmalemma, Zellmembran), eine oberflächliche, periphere Struktur, die das Protoplasma pflanzlicher und tierischer Zellen umgibt, dient nicht nur als mechanische Barriere, sondern vor allem begrenzt sie den freien Zwei-Wege-Fluss in die Zelle hinein und aus ihr heraus von nieder- und hochmolekularen Stoffen. Darüber hinaus fungiert das Plasmalemma als eine Struktur, die verschiedene Chemikalien „erkennt“ und den selektiven Transport dieser Substanzen in die Zelle reguliert.

Die äußere Oberfläche der Plasmamembran ist mit einer losen faserigen Substanzschicht von 3–4 nm Dicke bedeckt – der Glykokalyx. Es besteht aus verzweigten Ketten komplexer Kohlenhydrate membranständiger Proteine, zwischen denen sich von der Zelle isolierte Verbindungen von Proteinen mit Zuckern und Proteinen mit Fetten befinden können. Einige zelluläre Enzyme, die am extrazellulären Abbau von Stoffen beteiligt sind (extrazelluläre Verdauung beispielsweise im Darmepithel), werden sofort gefunden.

Da das Innere der Lipidschicht hydrophob ist, stellt sie für die meisten polaren Moleküle eine praktisch undurchdringliche Barriere dar. Durch das Vorhandensein dieser Barriere wird ein Austreten des Zellinhalts verhindert, die Zelle war jedoch gezwungen, spezielle Mechanismen für den Transport wasserlöslicher Substanzen durch die Membran zu schaffen.

Die Plasmamembran ist wie andere Lipoprotein-Zellmembranen semipermeabel. Die größte Durchschlagskraft haben Wasser und die darin gelösten Gase. Der Ionentransport kann entlang eines Konzentrationsgradienten, also passiv, ohne Energieverbrauch erfolgen. In diesem Fall bilden einige Membrantransportproteine ​​​​Molekülkomplexe, Kanäle, durch die Ionen durch einfache Diffusion durch die Membran gelangen. In anderen Fällen binden spezielle Membranträgerproteine ​​selektiv an das eine oder andere Ion und transportieren es durch die Membran. Diese Art der Übertragung wird als aktiver Transport bezeichnet und erfolgt mithilfe von Proteinionenpumpen. Wenn beispielsweise 1 ATP-Molekül verbraucht wird, pumpt das K-Na-Pumpsystem in einem Zyklus 3 Na-Ionen aus der Zelle und pumpt 2 K-Ionen gegen den Konzentrationsgradienten. In Kombination mit einem aktiven Ionentransport dringen verschiedene Zucker, Nukleotide und Aminosäuren durch das Plasmalemma. Makromoleküle wie Proteine ​​passieren die Membran nicht. Sie sowie größere Partikel der Substanz werden durch Endozytose in die Zelle transportiert. Bei der Endozytose fängt ein bestimmter Abschnitt des Plasmalemmas das extrazelluläre Material ein, umhüllt es und schließt es in einer Membranvakuole ein. Diese Vakuole – das Endosom – verschmilzt im Zytoplasma mit dem primären Lysosom und es kommt zur Verdauung des eingefangenen Materials. Die Endozytose wird formal in Phagozytose (Aufnahme großer Partikel durch die Zelle) und Pinozytose (Aufnahme von Lösungen) unterteilt. Die Plasmamembran ist auch an der Entfernung von Substanzen aus der Zelle durch Exozytose beteiligt, einem Prozess, der die Umkehrung der Endozytose darstellt.

Für lebende Organismen ist die Diffusion von Ionen in wässrigen Lösungen besonders wichtig. Ebenso wichtig ist die Rolle der Diffusion bei Atmung, Photosynthese und Pflanzentranspiration; bei der Übertragung von Sauerstoff aus der Luft durch die Wände der Lungenbläschen und seinem Eintritt in das Blut von Menschen und Tieren. Die Diffusion molekularer Ionen durch Membranen erfolgt mithilfe eines elektrischen Potentials innerhalb der Zelle. Da Membranen eine selektive Durchlässigkeit besitzen, spielen sie beim Transport von Gütern über die Grenze die Rolle des Zolls: Einige Substanzen passieren sie, andere verzögern sie und wieder andere werden im Allgemeinen aus der Zelle „ausgestoßen“. Die Rolle von Membranen im Leben von Zellen ist sehr groß. Die sterbende Zelle verliert die Kontrolle über die Fähigkeit, die Konzentration von Substanzen über die Membran hinweg zu regulieren. Das erste Anzeichen des Zelltods ist der Beginn von Veränderungen in der Permeabilität und das Versagen der Außenmembran.

Neben dem konventionellen Transport – dem kinetischen Prozess der Übertragung von Partikeln eines Stoffes unter Einwirkung von Gradienten von elektrischem oder chemischem Potential, Temperatur oder Druck – findet in zellulären Prozessen auch aktiver Transport statt – die Bewegung von Molekülen und Ionen gegen die Konzentration Stoffgradient. Dieser Diffusionsmechanismus wird Osmose genannt. (Osmose wurde erstmals 1748 von A. Nolle beobachtet, aber die Erforschung dieses Phänomens begann ein Jahrhundert später.) Dieser Prozess wird aufgrund des unterschiedlichen osmotischen Drucks in einer wässrigen Lösung auf verschiedenen Seiten einer biologischen Membran durchgeführt. Wasser passiert oft Durch Osmose kann der Stoff frei durch die Membran wandern, diese Membran kann jedoch undurchlässig für im Wasser gelöste Stoffe sein. Es ist merkwürdig, dass Wasser der Diffusion dieser Substanz entgegenwirkt, jedoch dem allgemeinen Gesetz des Konzentrationsgradienten (in diesem Fall Wasser) folgt.

Daher tendiert Wasser dazu, von einer verdünnteren Lösung, in der seine Konzentration höher ist, zu einer konzentrierteren Lösung einer Substanz zu wandern, in der die Wasserkonzentration niedriger ist. Da die Zelle nicht in der Lage ist, Wasser direkt anzusaugen und abzupumpen, geschieht dies mit Hilfe der Osmose, wodurch sich die Konzentration der darin gelösten Stoffe ändert. Durch Osmose wird die Konzentration der Lösung auf beiden Seiten der Membran ausgeglichen. Der osmotische Druck von Stofflösungen auf beiden Seiten der Zellmembran und die Elastizität der Zellmembran bestimmen den Spannungszustand der Zellmembran, der als Turgordruck (turgor – von lat. turgere – geschwollen, gefüllt) bezeichnet wird. Normalerweise ist die Elastizität tierischer Zellmembranen (mit Ausnahme einiger Darmmembranen) gering, ihnen fehlt ein hoher Turgordruck und sie bleiben nur in isotonischen Lösungen oder solchen, die sich kaum von isotonischen unterscheiden, intakt (der Unterschied zwischen Innendruck und Außendruck beträgt weniger als 0,5). -1.0 Uhr). In lebenden Pflanzenzellen ist der Innendruck immer größer als der Außendruck, jedoch kommt es aufgrund des Vorhandenseins einer Zellulosezellwand nicht zum Bruch der Zellmembran. Der Unterschied zwischen innerem und äußerem Druck in Pflanzen (z. B. in Pflanzen von Halophyten - salzliebenden Pflanzen, Pilzen) beträgt 50-100 Uhr. Aber selbst damit beträgt die Sicherheitsmarge einer Pflanzenzelle 60-70 %. Bei den meisten Pflanzen überschreitet die relative Dehnung der Zellmembran aufgrund des Turgors 5–10 % nicht und der Turgordruck liegt im Bereich von 5–10 Uhr. Dank des Turgors verfügen Pflanzengewebe über Elastizität und strukturelle Festigkeit. (Experimente Nr. 3, Nr. 4 bestätigen dies). Alle Prozesse der Autolyse (Selbstzerstörung), des Welkens und des Alterns gehen mit einem Abfall des Turgordrucks einher.

Betrachtet man die Diffusion in der belebten Natur, kommt man nicht umhin, die Absorption zu erwähnen. Unter Absorption versteht man den Vorgang des Eindringens verschiedener Substanzen aus der Umwelt durch Zellmembranen in Zellen und durch diese in die innere Umgebung des Körpers. Bei Pflanzen handelt es sich dabei um den Prozess der Aufnahme von Wasser mit darin gelösten Stoffen durch Wurzeln und Blätter durch Osmose und Diffusion; bei Wirbellosen - aus der Umgebung oder Hohlraumflüssigkeit. Bei primitiven Organismen erfolgt die Resorption mit Hilfe der Pino- und Phagozytose. Bei Wirbeltieren kann die Aufnahme sowohl aus den Bauchorganen – Lunge, Gebärmutter, Blase – als auch von der Hautoberfläche, von der Wundoberfläche usw. erfolgen. Flüchtige Gase und Dämpfe werden von der Haut aufgenommen.

Die größte physiologische Bedeutung hat die Resorption im Magen-Darm-Trakt, die hauptsächlich im Dünndarm erfolgt. Für einen effizienten Stofftransport sind eine große Darmoberfläche und eine konstant hohe Durchblutung der Schleimhaut von besonderer Bedeutung, wodurch ein hoher Konzentrationsgradient der aufgenommenen Stoffe aufrechterhalten wird. Beim Menschen beträgt der mesenteriale Blutfluss während der Mahlzeiten etwa 400 ml/min und auf dem Höhepunkt der Verdauung bis zu 750 ml/min, wobei der Hauptanteil (bis zu 80 %) auf den Blutfluss in der Schleimhaut entfällt Verdauungsorgane. Aufgrund des Vorhandenseins von Strukturen, die die Oberfläche der Schleimhaut vergrößern – kreisförmige Falten, Zotten, Mikrovilli – erreicht die Gesamtfläche der Saugfläche des menschlichen Darms 200 m 2.

Wasser und Salzlösungen können auf beiden Seiten der Darmwand diffundieren, sowohl im Dünn- als auch im Dickdarm. Ihre Aufnahme erfolgt hauptsächlich in den oberen Abschnitten des Dünndarms. Von großer Bedeutung im Dünndarm ist der Transport von Na+-Ionen, durch den vor allem elektrische und osmotische Gradienten entstehen. Die Absorption von Na + -Ionen erfolgt aufgrund sowohl aktiver als auch passiver Mechanismen.

Wenn die Zelle nicht über Systeme zur Regulierung des osmotischen Drucks verfügte, wäre die Konzentration der gelösten Substanzen in ihr höher als ihre äußere Konzentration. Dann wäre die Wasserkonzentration in der Zelle geringer als außerhalb. Dadurch würde ständig Wasser in die Zelle eindringen und platzen. Glücklicherweise kontrollieren tierische Zellen und Bakterien den osmotischen Druck in ihren Zellen, indem sie aktiv anorganische Ionen wie Na abpumpen. Daher ist ihre Gesamtkonzentration innerhalb der Zelle geringer als außerhalb. Amphibien verbringen beispielsweise einen erheblichen Teil ihrer Zeit im Wasser und der Salzgehalt in ihrem Blut und ihrer Lymphe ist höher als im Süßwasser. Amphibien nehmen kontinuierlich Wasser über ihre Haut auf. Daher produzieren sie viel Urin. Ein Frosch zum Beispiel schwillt, wenn seine Kloake verbunden ist, wie eine Kugel an. Gelangt eine Amphibie hingegen in salziges Meerwasser, dehydriert sie und stirbt sehr schnell. Daher sind die Meere und Ozeane für Amphibien eine unüberwindbare Barriere. Pflanzenzellen haben starre Wände, die ein Anschwellen verhindern. Viele Protozoen vermeiden das Platzen durch einströmendes Wasser, indem sie spezielle Mechanismen nutzen, die das einströmende Wasser regelmäßig auswerfen.

Somit ist die Zelle ein offenes thermodynamisches System, das Materie und Energie mit der Umgebung austauscht, aber eine gewisse Konstanz der inneren Umgebung aufrechterhält. Diese beiden Eigenschaften eines selbstregulierenden Systems – Offenheit und Konstanz – werden gleichzeitig ausgeübt, und der Stoffwechsel (Metabolismus) ist für die Konstanz der Zelle verantwortlich. Der Stoffwechsel ist der Regulator, der zur Erhaltung des Systems beiträgt, er sorgt für eine angemessene Reaktion auf Umwelteinflüsse. Eine notwendige Voraussetzung für den Stoffwechsel ist daher die Reizbarkeit eines lebenden Systems auf allen Ebenen, die gleichzeitig als Faktor für die Konsistenz und Integrität des Systems fungiert.

Die Membran kann ihre Durchlässigkeit unter dem Einfluss chemischer und physikalischer Faktoren ändern, unter anderem als Folge der Membrandepolarisation während des Durchgangs eines elektrischen Impulses durch das Neuronensystem und der Einwirkung darauf.

Ein Neuron ist ein Abschnitt einer Nervenfaser. Wirkt ein Reizstoff auf ein Ende davon, entsteht ein elektrischer Impuls. Sein Wert beträgt für menschliche Muskelzellen etwa 0,01 V und es breitet sich mit einer Geschwindigkeit von etwa 4 m/s aus. Wenn der Impuls die Synapse erreicht – eine Verbindung von Neuronen, die man sich als eine Art Relais vorstellen kann, das ein Signal von einem Neuron zum anderen überträgt –, wird der elektrische Impuls durch die Freisetzung von Neurotransmittern – spezifischen Zwischensubstanzen – in einen chemischen Impuls umgewandelt . Wenn die Moleküle eines solchen Mediators in die Lücke zwischen Neuronen gelangen, erreicht der Neurotransmitter durch Diffusion das Ende der Lücke und erregt das nächste Neuron.

Ein Neuron reagiert jedoch nur, wenn sich auf seiner Oberfläche spezielle Moleküle befinden – Rezeptoren, die nur diesen Vermittler binden und nicht auf einen anderen reagieren können. Dies geschieht nicht nur an der Membran, sondern auch in jedem Organ, beispielsweise einem Muskel, und führt zu dessen Kontraktion. Impulssignale durch Synapsen können die Übertragung anderer hemmen oder verstärken, und daher erfüllen Neuronen logische Funktionen („und“, „oder“), was N. Wiener gewissermaßen als Grund zu der Annahme diente, dass Rechenprozesse in der Das Gehirn eines lebenden Organismus und eines Computers folgen im Wesentlichen demselben Muster. Dann ermöglicht der informative Ansatz, unbelebte und belebte Natur einheitlich zu beschreiben.

Der eigentliche Prozess der Signalwirkung auf die Membran besteht darin, ihren hohen elektrischen Widerstand zu ändern, da die Potentialdifferenz darüber ebenfalls in der Größenordnung von 0,01 V liegt. Eine Verringerung des Widerstands führt zu einer Erhöhung des elektrischen Stromimpulses und der Die Erregung wird in Form eines Nervenimpulses weitergegeben, wobei sich die Möglichkeit des Durchgangs bestimmter Ionen durch die Membran ändert. Somit können Informationen im Körper durch chemische und physikalische Mechanismen kombiniert übertragen werden, was die Zuverlässigkeit und Vielfalt der Kanäle für ihre Übertragung und Verarbeitung in einem lebenden System gewährleistet.

Die Prozesse der Zellatmung, bei der in den Mitochondrien der Zelle ATP-Moleküle gebildet werden, die sie mit der notwendigen Energie versorgen, stehen in engem Zusammenhang mit den Prozessen der gewöhnlichen Atmung eines lebenden Organismus, der Sauerstoff O2 benötigt, der durch Photosynthese gewonnen wird. Auch die Mechanismen dieser Prozesse beruhen auf den Gesetzen der Diffusion. Im Wesentlichen handelt es sich hierbei um die Stoff- und Energiekomponenten, die für einen lebenden Organismus notwendig sind. Photosynthese ist der Prozess der Speicherung von Sonnenenergie durch die Bildung neuer Bindungen in den Molekülen synthetisierter Substanzen. Ausgangsstoffe der Photosynthese sind Wasser H 2 O und Kohlendioxid CO 2 . Diese einfachen anorganischen Verbindungen bilden komplexere, energiereiche Nährstoffe. Als Nebenprodukt, aber sehr wichtig für uns, entsteht molekularer Sauerstoff O 2 . Ein Beispiel ist eine Reaktion, die aufgrund der Absorption von Lichtquanten und der Anwesenheit des in Chloroplasten enthaltenen Chlorophyllpigments auftritt.

Das Ergebnis ist ein Zuckermolekül C 6 H 12 O 6 und sechs Sauerstoffmoleküle O 2. Der Prozess verläuft stufenweise: Zuerst werden in der Photolysestufe Wasserstoff und Sauerstoff durch Spaltung von Wasser gebildet, und dann bildet Wasserstoff in Verbindung mit Kohlendioxid ein Kohlenhydrat – Zucker C 6 H 12 O 6. Im Wesentlichen ist Photosynthese die Umwandlung der Strahlungsenergie der Sonne in die Energie chemischer Bindungen entstehender organischer Substanzen. Somit ist die Photosynthese, die im Licht Sauerstoff O 2 erzeugt, der biologische Prozess, der lebende Organismen mit kostenloser Energie versorgt. Der Vorgang der normalen Atmung als Stoffwechselvorgang im Körper, der mit dem Verbrauch von Sauerstoff verbunden ist, ist die Umkehrung des Prozesses der Photosynthese. Beide Prozesse können der folgenden Kette folgen:

Sonnenenergie (Photosynthese)

Nährstoffe + (Atem)

Energie chemischer Bindungen.

Die Endprodukte der Atmung dienen als Ausgangsstoffe für die Photosynthese. Somit sind die Prozesse der Photosynthese und Atmung am Stoffkreislauf der Erde beteiligt. Ein Teil der Sonnenstrahlung wird von Pflanzen und einigen Organismen absorbiert, die, wie wir bereits wissen, autotrophe sind, d.h. Selbsternährung (Nahrung für sie - Sonnenlicht). Durch den Prozess der Photosynthese binden Autotrophen atmosphärisches Kohlendioxid und Wasser, bilden bis zu 150 Milliarden Tonnen organische Substanzen, absorbieren bis zu 300 Milliarden Tonnen CO 2 und geben jährlich etwa 200 Milliarden Tonnen freien Sauerstoff O 2 ab.

Die dabei entstehende organische Substanz wird von Menschen und Pflanzenfressern als Nahrung genutzt, die sich wiederum von anderen Heterotrophen ernähren. Pflanzen- und Tierreste werden dann in einfache anorganische Stoffe zersetzt, die wiederum in Form von CO 2 und H 2 O an der Photosynthese teilnehmen können. Ein Teil der dabei entstehenden Energie, auch die in Form fossiler Brennstoffe gespeicherte, wird von lebenden Organismen genutzt, ein Teil wird nutzlos an die Umwelt abgegeben. Daher ist der Prozess der Photosynthese aufgrund der Möglichkeit, sie mit der notwendigen Energie und Sauerstoff zu versorgen, in einem bestimmten Stadium der Entwicklung der Biosphäre der Erde ein Katalysator für die Evolution von Lebewesen.

Dem Stoffwechsel in der Zelle liegen Diffusionsprozesse zugrunde, das heißt, mit ihrer Hilfe werden diese Prozesse auf der Ebene der Organe abgewickelt. So finden Resorptionsprozesse in den Wurzelhaaren von Pflanzen, im Darm von Tieren und Menschen statt; Gasaustausch in pflanzlichen Spaltöffnungen, Lungen und Geweben von Mensch und Tier, Ausscheidungsprozesse.

Biologen beschäftigen sich seit mehr als 150 Jahren mit der Struktur und Erforschung von Zellen, angefangen bei Schleiden, Schwann, Purime und Virchow, die 1855 den Mechanismus des Zellwachstums durch Zellteilung etablierten. Es wurde festgestellt, dass sich jeder Organismus aus einer Zelle entwickelt, die sich zu teilen beginnt und dadurch viele Zellen entstehen, die sich deutlich voneinander unterscheiden. Aber da die Entwicklung des Organismus ursprünglich mit der Teilung der ersten Zelle begann, behalten wir in einem der Stadien unseres Lebenszyklus eine Ähnlichkeit mit einem sehr entfernten einzelligen Vorfahren, und man kann scherzhaft sagen, dass wir eher von einem abstammen Amöbe als von einem Affen.

Organe werden aus Zellen gebildet, und das Zellsystem erhält Eigenschaften, die seine Bestandteile nicht haben, d. h. einzelne Zellen. Diese Unterschiede sind auf die von dieser Zelle synthetisierten Proteine ​​zurückzuführen. Abhängig von ihrer Funktionalität gibt es Muskelzellen, Nervenzellen, Blutzellen (Erythrozyten), Epithelzellen und andere. Die Zelldifferenzierung erfolgt schrittweise während der Entwicklung des Organismus. Im Prozess der Zellteilung, ihres Lebens und Todes kommt es während des gesamten Lebens des Organismus zu einem kontinuierlichen Zellaustausch.

Kein Molekül in unserem Körper bleibt länger als ein paar Wochen oder Monate gleich. In dieser Zeit werden Moleküle synthetisiert, erfüllen ihre Rolle im Leben der Zelle, werden zerstört und durch andere, mehr oder weniger identische Moleküle ersetzt. Das Erstaunlichste ist, dass lebende Organismen als Ganzes viel konstanter sind als ihre Moleküle, aus denen sie bestehen, und dass die Struktur der Zellen und des gesamten Körpers, der aus diesen Zellen besteht, in diesem unaufhörlichen Zyklus trotz des Austauschs einzelner Komponenten unverändert bleibt.

Darüber hinaus handelt es sich hierbei nicht um den Austausch einzelner Teile des Autos, sondern, wie S. Rose bildlich vergleicht, um die Karosserie mit einem Backsteingebäude, „aus dem ein verrückter Maurer Tag und Nacht einen Ziegelstein nach dem anderen herausnimmt und einen neuen einfügt.“ diejenigen an ihrer Stelle. Dabei bleibt das äußere Erscheinungsbild des Gebäudes erhalten und das Material wird ständig ausgetauscht. Wir werden mit einigen Neuronen und Zellen geboren und sterben mit anderen. Ein Beispiel ist das Bewusstsein, das Verständnis und die Wahrnehmung eines Kindes und eines alten Menschen. Alle Zellen verfügen über vollständige genetische Informationen zum Aufbau aller Proteine ​​eines bestimmten Organismus. Die Speicherung und Weitergabe der Erbinformationen erfolgt mit Hilfe des Zellkerns.

Abschluss: Die Rolle der Permeabilität der Plasmamembran für die lebenswichtige Aktivität der Zelle kann nicht überbewertet werden. Die meisten Prozesse, die mit der Energieversorgung der Zelle, der Aufnahme von Produkten und der Beseitigung von Zerfallsprodukten verbunden sind, basieren auf den Gesetzen der Diffusion durch diese semipermeable lebende Barriere.

Osmose– in der Tat eine einfache Diffusion von Wasser von Orten mit einer höheren Wasserkonzentration zu Orten mit einer niedrigeren Wasserkonzentration.

Passiver Transport- Dies ist die Übertragung von Stoffen von Orten mit einem großen Wert des elektrochemischen Potentials zu Orten mit einem niedrigeren Wert. Der Transfer kleiner wasserlöslicher Moleküle erfolgt über spezielle Transportproteine. Hierbei handelt es sich um spezielle Transmembranproteine, die jeweils für den Transport bestimmter Moleküle oder Gruppen verwandter Moleküle verantwortlich sind.

Oft muss sichergestellt werden, dass Moleküle entgegen ihrem elektrochemischen Gradienten durch die Membran transportiert werden. Ein solcher Vorgang wird aufgerufen aktiven Transport und wird von Trägerproteinen ausgeführt, deren Aktivität einen Energieaufwand erfordert. Wird ein Trägerprotein mit einer Energiequelle verknüpft, entsteht ein Mechanismus, der den aktiven Stofftransport durch die Membran gewährleistet.

II.6. Anwendung der Diffusion.

Der Mensch nutzt seit der Antike Diffusionsphänomene. Mit diesem Prozess sind Kochen und Heizen des Hauses verbunden. Diffusion begegnet uns bei der Wärmebehandlung von Metallen (Schweißen, Löten, Schneiden, Beschichten usw.); Aufbringen einer dünnen Metallschicht auf die Oberfläche von Metallprodukten zur Erhöhung der chemischen Beständigkeit, Festigkeit und Härte von Teilen und Geräten oder zu Schutz- und Dekorationszwecken (Verzinken, Verchromen, Vernickeln).

Das natürliche Brenngas, das wir zu Hause zum Kochen verwenden, ist farb- und geruchlos. Daher wäre es schwierig, ein Gasleck sofort zu bemerken. Und im Falle einer Leckage durch Diffusion verteilt sich das Gas im Raum. Unterdessen entsteht bei einem bestimmten Verhältnis von Gas zu Luft in einem geschlossenen Raum ein Gemisch, das beispielsweise durch ein brennendes Streichholz explodieren kann. Das Gas kann auch zu Vergiftungen führen.

Um den Gasstrom in den Raum spürbar zu machen, wird brennbares Gas an Verteilerstationen mit speziellen Stoffen vorgemischt, die einen stechenden unangenehmen Geruch haben, der vom Menschen schon bei sehr geringer Konzentration leicht wahrgenommen wird. Mit dieser Vorsichtsmaßnahme können Sie im Falle eines Lecks die Ansammlung von Gas im Raum schnell erkennen.

In der modernen Industrie wird das Vakuumformen eingesetzt, ein Verfahren zur Herstellung von Produkten aus thermoplastischen Platten. Das Produkt mit der erforderlichen Konfiguration wird aufgrund der Druckdifferenz erhalten, die durch die Verdünnung im Formhohlraum entsteht, über dem die Folie fixiert wird. Es wird beispielsweise bei der Herstellung von Behältern, Teilen von Kühlschränken und Instrumentenkoffern verwendet. Durch die Diffusion ist es auf diese Weise möglich, etwas zu verschweißen, was von selbst nicht verschweißt werden kann (Metall mit Glas, Glas und Keramik, Metalle und Keramik und vieles mehr).

Durch die Diffusion verschiedener Uranisotope durch poröse Membranen wurde Brennstoff für Kernreaktoren gewonnen. Manchmal wird Kernbrennstoff als Kernbrennstoff bezeichnet.

Die Aufnahme (Resorption) von Stoffen beim Einbringen in das Unterhautgewebe, in die Muskulatur oder beim Auftragen auf die Schleimhäute von Auge, Nase, Haut des Gehörgangs erfolgt hauptsächlich durch Diffusion. Dies ist die Grundlage für den Einsatz vieler Arzneistoffe und die Aufnahme in die Muskulatur erfolgt schneller als in die Haut.

Die Volksweisheit sagt: „Mähe die Sense, bis der Tau taut.“ Sagen Sie mir, was haben Diffusion und morgendliches Mähen damit zu tun? Die Erklärung ist sehr einfach. Während des Morgentaues haben Gräser einen erhöhten Turgordruck, offene Spaltöffnungen und elastische Stängel, was das Mähen erleichtert (Gras, das mit geschlossenen Spaltöffnungen gemäht wird, trocknet schlechter).

Im Gartenbau entsteht beim Knospen und Pfropfen von Pflanzen auf Abschnitten durch Diffusion Kallus (vom lateinischen Kallus – Mais) – Wundgewebe in Form eines Zuflusses an den Schadensstellen und fördert deren Heilung, sorgt für die Verschmelzung der Spross mit dem Wurzelstock.

Kallus wird verwendet, um eine Kultur isolierter Gewebe zu gewinnen (Explantation). Hierbei handelt es sich um eine Methode zur langfristigen Konservierung und Kultivierung von aus dem Körper von Menschen, Tieren und Pflanzen isolierten Zellen, Geweben, kleinen Organen oder deren Teilen in speziellen Nährmedien. Es basiert auf den Methoden zum Züchten einer Kultur von Mikroorganismen, die für Asepsis, Ernährung, Gasaustausch und Entfernung von Stoffwechselprodukten kultivierter Objekte sorgen. Einer der Vorteile der Gewebekulturmethode ist die Möglichkeit, die lebenswichtige Aktivität von Zellen mithilfe eines Mikroskops zu beobachten. Dazu wird Pflanzengewebe auf Nährmedien gezüchtet, die Auxine und Zytokinine enthalten. Kallus besteht normalerweise aus schlecht differenzierten homogenen Zellen des Bildungsgewebes, aber bei einer Änderung der Wachstumsbedingungen, vor allem des Gehalts an Phytohormonen im Nährmedium, ist darin die Bildung von Phloem, Xylem und anderen Geweben sowie die Entwicklung möglich verschiedener Organe und der gesamten Pflanze.

II.7. Gestaltung einzelner Experimente.

Anhand der wissenschaftlichen Literatur versuchte ich, die Experimente zu wiederholen, die für mich am interessantesten waren. Den Diffusionsmechanismus und die Ergebnisse dieser Experimente habe ich in der Präsentation in Form von Animationsmodellen dargestellt.

ERFAHRUNG 1. Nehmen Sie zwei Reagenzgläser: Eine Hälfte ist mit Wasser gefüllt, die andere Hälfte ist mit Sand gefüllt. Gießen Sie Wasser mit Sand in ein Reagenzglas. Das Volumen der Mischung aus Wasser und Sand im Reagenzglas ist kleiner als die Summe der Volumina von Wasser und Sand.

ERFAHRUNG 2. Füllen Sie ein langes Glasröhrchen zur Hälfte mit Wasser und gießen Sie dann farbigen Alkohol darüber. Markieren Sie den gesamten Flüssigkeitsstand im Röhrchen mit einem Gummiring. Nach dem Mischen von Wasser und Alkohol nimmt das Volumen der Mischung ab.

(Experimente 1 und 2. beweisen, dass es Lücken zwischen den Materieteilchen gibt; während der Diffusion werden sie mit Materieteilchen gefüllt – einem Außerirdischen.)

ERFAHRUNG 3. Wir werden eine mit Ammoniak befeuchtete Watte mit einer mit einem Phenolphthalein-Indikator befeuchteten Watte in Kontakt bringen. Wir beobachten die Verfärbung des Vlieses in der Farbe Himbeere.

Nun wird ein mit Ammoniak befeuchtetes Wattestäbchen auf den Boden eines Glasgefäßes gelegt und mit Phenolphthalein befeuchtet. Wir befestigen den Deckel und decken das Glasgefäß mit diesem Deckel ab. Nach einiger Zeit beginnt die mit Phenolphthalein befeuchtete Watte zu färben.

Durch die Wechselwirkung mit Ammoniak verfärbt sich Phenolphthalein purpurrot, was wir bei Kontakt mit Watte beobachtet haben. Aber warum dann im zweiten Fall eine mit Phenolphthalein befeuchtete Watte? Es färbt auch, weil das Vlies jetzt nicht in Kontakt gebracht wurde? Antwort: kontinuierliche chaotische Bewegung von Materieteilchen.

ERFAHRUNG 4. Entlang der Wand eines hohen zylindrischen Gefäßes einen schmalen Streifen Filterpapier absenken, der mit einer Mischung aus Stärkepaste und einer Lösung des Phenolphthalein-Indikators imprägniert ist. Legen Sie Jodkristalle auf den Boden des Gefäßes. Verschließen Sie das Gefäß fest mit einem Deckel, an dem mit Ammoniaklösung getränkte Watte aufgehängt ist.

Durch die Wechselwirkung von Jod mit Stärke steigt auf einem Papierstreifen eine blauviolette Farbe auf. Gleichzeitig breitet sich eine purpurrote Farbe nach unten aus – ein Beweis für die Bewegung von Ammoniakmolekülen. Nach einigen Minuten treffen die Grenzen der farbigen Bereiche des Papiers aufeinander und dann vermischen sich die blauen und purpurnen Farben, d. h. es kommt zur Diffusion.[ 10]

ERFAHRUNG 5.(Sie verbringen es zusammen) Nehmen Sie eine Uhr mit Sekundenzeiger, ein Maßband, eine Flasche Toilettenwasser und stellen Sie sich in verschiedene Ecken des Raumes. Man notiert die Uhrzeit und öffnet das Fläschchen. Ein anderer notiert die Zeit, als er das Toilettenwasser riecht. Indem wir den Abstand zwischen den Experimentatoren messen, ermitteln wir die Diffusionsrate. Aus Gründen der Genauigkeit wird das Experiment 3-4 Mal wiederholt und der Durchschnittswert der Geschwindigkeit ermittelt. Beträgt der Abstand zwischen den Experimentatoren 5 Meter, ist der Geruch nach 12 Minuten spürbar. Das heißt, die Diffusionsgeschwindigkeit beträgt in diesem Fall 2,4 m/min.

ERFAHRUNG 6. BESTIMMUNG DER PLASMAVISKOSITÄT MIT DER PLASMOLYSE-METHODE (nach P.A. Genkel).

Vorschubgeschwindigkeit konvexe Plasmolyse in Pflanzenzellen hängt es bei Behandlung mit einer hypertanen Lösung von der Viskosität des Zytoplasmas ab; Je niedriger die Viskosität des Zytoplasmas ist, desto eher geht die konkave Plasmolyse in eine konvexe über. Die Viskosität des Zytoplasmas hängt vom Grad der Dispersion kolloidaler Partikel und ihrer Hydratation, vom Wassergehalt in der Zelle, vom Alter der Zellen und anderen Faktoren ab.

Fortschritt. Schneiden Sie die Epidermis eines Aloe-Blattes dünn ab oder schälen Sie die Epidermis von weichen Zwiebelschuppen ab. Die vorbereiteten Schnitte werden in einem Uhrglas 10 Minuten lang in einer Lösung von Neutralrot in einer Konzentration von 1:5000 gefärbt. Dann werden die Abschnitte des Objekts auf einen Objektträger in einem Tropfen Saccharose in niedriger Konzentration gelegt und mit einem Deckglas abgedeckt. Unter dem Mikroskop wird der Zustand der Plasmolyse festgestellt. Zunächst wird in den Zellen eine konkave Plasmolyse festgestellt. In Zukunft bleibt diese Form entweder erhalten oder geht mit der einen oder anderen Geschwindigkeit in eine konvexe Form über. Es ist wichtig, den Zeitpunkt des Übergangs von der konkaven zur konvexen Plasmolyse zu beachten. Das Zeitintervall, in dem die konkave Plasmolyse in eine konvexe umgewandelt wird, ist ein Indikator für den Viskositätsgrad des Protoplasmas. Je länger die Übergangszeit zur konvexen Plasmolyse ist, desto höher ist die Viskosität des Plasmas. Die Plasmolyse in Zwiebelzellen beginnt schneller als in Aloe-Haut. Dies bedeutet, dass das Zytoplasma von Aloe-Zellen viskoser ist.

ERFAHRUNG 7. PLASMOLYSE. DEPLASMOLYSE. Eindringen von Stoffen in das Vakuum [2]

Einige organische Substanzen dringen schnell in die Vakuole ein. Wenn Zellen in Lösungen solcher Substanzen gehalten werden, geht die Plasmolyse relativ schnell verloren und es kommt zur Deplasmolyse.

Unter Deplasmolyse versteht man die Wiederherstellung des Turgors in Zellen(d. h. die Umkehrung der Plasmolyse).

Fortschritt. Abschnitte der oberen Epidermis der bemalten Zwiebelschuppen (konkave Seite) werden in einen Tropfen 1 M Harnstoff- oder Glycerindüngerlösung für Pflanzen direkt auf einen Glasobjektträger gegeben und mit einem Deckglas abgedeckt. Nach 15-30 Minuten werden die Objekte unter dem Mikroskop untersucht. Plasmolysierte Zellen sind deutlich sichtbar. Lassen Sie die Schnitte weitere 30–40 Minuten in einem Tropfen Lösung. Dann werden sie erneut unter dem Mikroskop untersucht und es wird eine Deplasmolyse beobachtet – die Wiederherstellung des Turgors.

Abschluss : Pflanzen können die Menge an Chemikalien, die in die Zellen eindringen und diese verlassen, nicht genau kontrollieren.

III. Abschluss.

Den Diffusionsgesetzen unterliegen die Prozesse der physikalischen und chemischen Bewegung der Elemente im Erdinneren und im Universum sowie die Prozesse der lebenswichtigen Aktivität von Zellen und Geweben lebender Organismen. Diffusion spielt in verschiedenen Bereichen der Wissenschaft und Technik eine wichtige Rolle, bei Prozessen, die in der belebten und unbelebten Natur ablaufen. Диффузия оказывает влияние на протекание многих химических реакций, а также многих физико-химических процессов и явлений: мембранных, испарения, конденсации, кристаллизации, растворения, набухания, горения, каталитических, хроматографических, люминесцентных, электрических и оптических в полупроводниках, замедления нейтронов в ядерных реакторах usw. Die Diffusion ist von großer Bedeutung bei der Bildung einer elektrischen Doppelschicht an Phasengrenzen, bei der Diffusions- und Elektrophorese, bei fotografischen Verfahren zur schnellen Bildaufnahme usw. Die Diffusion ist die Grundlage für viele gängige technische Vorgänge: Pulversintern, chemisch-thermische Behandlung von Metalle, Metallisierung und Schweißen von Materialien, Gerben von Leder und Pelz, Färben von Fasern, Bewegen von Gasen mit Diffusionspumpen. Die Rolle der Diffusion hat aufgrund der Notwendigkeit, Materialien mit vorgegebenen Eigenschaften für sich entwickelnde Technologiebereiche (Kernenergie, Raumfahrt, Strahlung und plasmachemische Prozesse usw.) zu schaffen, erheblich zugenommen. Die Kenntnis der Diffusionsgesetze ermöglicht es, unerwünschte Veränderungen an Produkten zu verhindern, die unter dem Einfluss hoher Belastungen und Temperaturen, Strahlung und vielem mehr auftreten ...

Wie wäre die Welt ohne Diffusion? Stoppen Sie die thermische Bewegung der Partikel – und alles um Sie herum wird tot sein!

In meiner Arbeit habe ich das zum Thema des Abstracts gesammelte Material zusammengefasst und zu dessen Verteidigung eine im Power-Point-Editor erstellte Präsentation vorbereitet. Diese Präsentation wird meiner Meinung nach in der Lage sein, den Unterrichtsstoff zu diesem Thema abwechslungsreicher zu gestalten. Einige der in der Literatur beschriebenen Experimente wurden von mir wiederholt und leicht modifiziert. Die interessantesten Diffusionsbeispiele werden auf den Präsentationsfolien in Animationsmodellen dargestellt.

IV. Gebrauchte Bücher:

1. V. F. Antonov, A. M. Chernysh, V. I. Pasechnik, et al., Biophysik.

M., Arktos-Vika-Presse, 1996

2. Afanasiev Yu.I., Yurina N.A., Kotovsky E.F. usw. Histologie.

M. Medizin, 1999.

3. Alberts B., Bray D., Lewis J. et al. Molekularbiologie der Zelle.

In 3 Bänden. Band 1. M., Mir, 1994.

4. Große Enzyklopädie von Cyril und Methodius 2006

5. Varikash V.M. usw. Physik in der Tierwelt. Minsk, 1984.

6. Demyankov E.N. Aufgaben in der Biologie. M. Vlados, 2004.

7. Nikolaev N.I. Diffusion in Membranen. M. Chemistry, 1980, S. 76

8. Peryshkin A.V. Physik. 7. M. Bustard, 2004.

9. Physical Encyclopedic Dictionary, M., 1983, p. 174-175, 652, 754

10. Shablovsky V. Unterhaltsame Physik. St. Petersburg, „trigon“ 1997, S.416

11.xttp//bio. fizten/ru./

12. xttp//markiv. narod.ru/

13. „http://en.wikipedia.org/wiki/%D0%94%D0%B8%D1%84%D1%84%D1%83%D0%B7%D0%B8%D1%8F“ Kategorien: Phänomene auf atomarer Ebene | Thermodynamische Phänomene | Transferphänomene | Diffusion

Einführung
1. Das Konzept und die Muster der Verbreitung
1.1 Das Konzept der Diffusionsprozesse ……………………………………….. 5
1.2 Diffusionsmuster ………………………………………6
2. Nutzung von Diffusionsprozessen
2.1 Diffusion bei der Verarbeitung von Metallen ……………………………………………8
2.2 Plasmolyse…………………………………………………………………… 11
2.3 Osmose…………………………………………………………………………11
3. Anwendung der Diffusion in der Produktion…………………………………... 13
4. Anwendung der Diffusion in der Medizin. Gerät „künstliche Niere“…..15
5. Anwendung der Diffusion im Ingenieurwesen……………………………………………...16
Abschluss
Liste der verwendeten Literatur

Einführung

Das Thema meiner Hausarbeit ist: „Diffusionsprozesse und ihre Nutzung in der Technik“.

Diffusion ist ein grundlegendes Phänomen der Natur. Es liegt den Umwandlungen von Materie und Energie zugrunde. Seine Manifestationen finden auf allen Ebenen der Organisation natürlicher Systeme auf unserem Planeten statt, angefangen bei der Ebene der Elementarteilchen, Atome und Moleküle bis hin zur Geosphäre. Es wird häufig in der Technik und im Alltag eingesetzt.
Das Wesen der Diffusion ist die Bewegung von Partikeln des Mediums, die zur Stoffübertragung und zum Konzentrationsausgleich bzw. zur Herstellung einer Gleichgewichtsverteilung von Partikeln einer bestimmten Art im Medium führt. Diffusion von Molekülen und Atomen aufgrund ihrer thermischen Bewegung. .
Der Diffusionsprozess ist einer der Mechanismen zur Manifestation des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik, nach dem jedes System dazu neigt, sich in einen ausgeglicheneren Zustand zu bewegen, d. h. einen stabilen Zustand, der durch eine Zunahme der Entropie und ein Minimum an Energie gekennzeichnet ist.
Die Diffusion ist einer der wichtigsten technologischen Prozesse bei der Herstellung elektronischer Geräte und Mikroschaltungen aller Art.

Diffusion ist ein grundlegender Prozess, der dem Funktionieren lebender Systeme auf jeder Organisationsebene zugrunde liegt, von der Ebene der Elementarteilchen (elektronische Diffusion) bis zur biosphärischen Ebene (Stoffzirkulation in der Biosphäre).

Das Phänomen der Diffusion wird in der Praxis häufig genutzt. Im Alltag - Tee aufbrühen, Gemüse einmachen, Marmelade zubereiten. In der Produktion - Aufkohlen (... von Stahlteilen, um deren Härte und Hitzebeständigkeit zu erhöhen), Aluminisierungs- und Oxidationsprozesse.

Ziel dieser Studienarbeit ist es, sich mit dem Konzept der Diffusion und Diffusionsprozessen vertraut zu machen und ihren Einsatz in Produktion, Technik und Medizin zu analysieren. Unter Berücksichtigung der Besonderheiten dieses Themas und der Bandbreite der aufgeworfenen Fragestellungen ermöglicht der Aufbau der Arbeit, im ersten Teil konsequent theoretische Fragen zu beantworten und im zweiten Teil den praktischen Einsatz von Diffusionsprozessen zu erlernen.

1. Das Konzept und die Muster der Verbreitung

1.1 Konzept von Diffusionsprozessen

Der Vorgang des Eindringens von Teilchen (Molekülen, Atomen, Ionen) eines Stoffes zwischen Teilchen eines anderen Stoffes aufgrund chaotischer Bewegung wird als Diffusion bezeichnet. Diffusion ist also das Ergebnis der chaotischen Bewegung aller Materieteilchen, jeder mechanischen Einwirkung.

Da sich Partikel in Gasen, Flüssigkeiten und Feststoffen bewegen, ist in diesen Stoffen eine Diffusion möglich. Unter Diffusion versteht man die Übertragung von Materie aufgrund der spontanen Ausrichtung einer inhomogenen Konzentration von Atomen oder Molekülen verschiedener Art. Lässt man Portionen verschiedener Gase in das Gefäß ein, so vermischen sich nach einiger Zeit alle Gase gleichmäßig: Die Anzahl der Moleküle jeder Art pro Volumeneinheit des Gefäßes wird konstant, die Konzentration gleicht sich aus (Abb. 1)

Die Diffusion wird wie folgt erklärt. Zunächst ist zwischen den beiden Körpern die Grenzfläche zwischen den beiden Medien deutlich zu erkennen (Abb. 1a). Dann tauschen einzelne Partikel von Stoffen, die sich in der Nähe der Grenze befinden, aufgrund ihrer Bewegung ihre Plätze. Die Grenze zwischen Stoffen verschwimmt (Abb. 1b). Nachdem sie zwischen die Teilchen eines anderen Stoffes eingedrungen sind, beginnen die Teilchen des ersten, ihre Plätze mit den Teilchen des zweiten zu tauschen, die sich in immer tieferen Schichten befinden. Die Schnittstelle zwischen Stoffen wird noch unklarer. Aufgrund der kontinuierlichen und zufälligen Bewegung der Partikel führt dieser Prozess schließlich dazu, dass die Lösung im Gefäß homogen wird (Abb. 1c).

Abb.1. Erklärung des Phänomens der Diffusion.

Die Diffusion großer Partikel, die in einem Gas oder einer Flüssigkeit suspendiert sind (z. B. Rauch- oder Suspensionspartikel), erfolgt aufgrund ihrer Brownschen Bewegung. Im Folgenden meinen wir, sofern nicht anders angegeben, die molekulare Diffusion.

Diffusion spielt eine wichtige Rolle in der chemischen Kinetik und Technologie. Wenn eine chemische Reaktion auf der Oberfläche eines Katalysators oder eines der Reaktanten stattfindet (z. B. Kohleverbrennung), kann die Diffusion die Geschwindigkeit der Zufuhr anderer Reaktanten und der Entfernung von Reaktionsprodukten bestimmen, d. h. sie kann eine bestimmende (begrenzende) sein ) Verfahren. Für die Verdunstung und Kondensation, die Auflösung von Kristallen und die Kristallisation erweist sich in der Regel die Diffusion als entscheidend. Zur Isotopentrennung wird der Prozess der Diffusion von Gasen durch poröse Trennwände oder in einen Dampfstrahl genutzt. Die Diffusion liegt zahlreichen technologischen Prozessen zugrunde – Adsorption, Zementierung usw. Diffusionsschweißen und Diffusionsmetallisierung sind weit verbreitet.

In flüssigen Lösungen führt die Diffusion von Lösungsmittelmolekülen durch semipermeable Trennwände (Membranen) zum Auftreten eines osmotischen Drucks, der bei der physikalisch-chemischen Methode der Stofftrennung genutzt wird.

1.2 Diffusionsmuster

Der Konzentrationsunterschied ist die treibende Kraft der Diffusion. Wenn die Konzentration überall gleich ist, findet keine diffuse Stoffübertragung statt. Der Konzentrationsausgleich durch Diffusion erfolgt nur ohne äußere Kräfte. Wenn neben einem Temperaturunterschied auch ein Konzentrationsunterschied besteht, in einem elektrischen Feld oder unter Bedingungen, bei denen die Schwerkraft von Bedeutung ist (bei einem großen Höhenunterschied), ist ein Konzentrationsausgleich nicht erforderlich. Ein Beispiel ist die Abnahme der Luftdichte mit der Höhe.

Wenden wir uns der Erfahrung zu. Zwei Gläser sind mit Wasser gefüllt, aber eines ist kalt und das andere heiß. Tauchen Sie gleichzeitig die Teebeutel in die Gläser. Es ist leicht zu erkennen, dass Tee in heißem Wasser das Wasser schneller färbt und die Diffusion schneller voranschreitet. Die Diffusionsgeschwindigkeit nimmt mit steigender Temperatur zu, da sich die Moleküle interagierender Körper schneller zu bewegen beginnen.

Die Diffusion erfolgt am schnellsten in Gasen, langsamer in Flüssigkeiten und noch langsamer in Feststoffen, was auf die Art der thermischen Bewegung der Partikel in diesen Medien zurückzuführen ist. Die Flugbahn jedes Gasteilchens ist eine gestrichelte Linie, weil Wenn Teilchen kollidieren, ändern sie die Richtung und Geschwindigkeit ihrer Bewegung. Die Bewegungsstörung führt dazu, dass sich jedes Teilchen allmählich von seinem Standort entfernt und seine Verschiebung entlang einer geraden Linie viel geringer ist als der Weg, der entlang einer gestrichelten Linie zurückgelegt wird. Daher ist das Eindringen durch Diffusion viel langsamer als die freie Bewegung (die Geschwindigkeit der Diffusionsausbreitung von Gerüchen ist beispielsweise viel geringer als die Geschwindigkeit von Molekülen). In Flüssigkeiten erfolgt die Diffusion entsprechend der Natur der thermischen Bewegung von Molekülen durch Sprünge von Molekülen von einer vorübergehenden Gleichgewichtsposition in eine andere. Jeder Sprung erfolgt, wenn dem Molekül genügend Energie zugeführt wird, um seine Bindungen zu benachbarten Molekülen aufzubrechen und in die Umgebung anderer Moleküle zu gelangen (in eine neue energetisch günstige Position). Im Durchschnitt überschreitet der Sprung nicht den intermolekularen Abstand. Die Diffusionsbewegung von Partikeln in einer Flüssigkeit kann als Bewegung mit Reibung betrachtet werden. Der Diffusionskoeffizient in einer Flüssigkeit steigt mit der Temperatur, was auf die „Auflockerung“ der Flüssigkeitsstruktur beim Erhitzen und die entsprechende Zunahme der Anzahl der Sprünge pro Zeiteinheit zurückzuführen ist.

In einem festen Körper können mehrere Mechanismen wirken: Austausch von Atomplätzen mit Leerstellen (unbesetzte Knoten des Kristallgitters), Bewegung von Atomen entlang von Zwischenräumen, gleichzeitige zyklische Bewegung mehrerer Atome, direkter Austausch von Plätzen zweier benachbarter Atome usw. Der erste Mechanismus herrscht beispielsweise bei der Bildung substitutioneller Mischkristalle vor, der zweite - interstitielle Mischkristalle. Eine Erhöhung der Anzahl von Defekten (hauptsächlich Leerstellen) erleichtert die Bewegung von Atomen in einem Festkörper, die Diffusion, und führt zu einer Erhöhung des Diffusionskoeffizienten. Der Diffusionskoeffizient in Feststoffen zeichnet sich durch eine starke (exponentielle) Abhängigkeit von der Temperatur aus. So erhöht sich der Diffusionskoeffizient von Zink in Kupfer um den Faktor 1014, wenn die Temperatur von 20 auf 300 °C steigt.

Alle experimentellen Methoden zur Bestimmung des Diffusionskoeffizienten beinhalten zwei Hauptpunkte: das Inkontaktbringen diffundierender Stoffe und die Analyse der Zusammensetzung von Stoffen, die durch Diffusion verändert werden. Die Zusammensetzung (Konzentration der diffundierten Substanz) wird chemisch, optisch (durch Änderung des Brechungsindex oder Absorption von Licht), massenspektroskopisch, durch die Methode der markierten Atome usw. bestimmt.

2. Nutzung von Diffusionsprozessen

2.1 Verbreitung in der Metallverarbeitung

Unter Diffusionsmetallisierung versteht man den Prozess der Diffusionssättigung der Oberfläche von Produkten mit Metallen oder Halbmetallen. Die Diffusionssättigung erfolgt in einer Pulvermischung, einem gasförmigen Medium oder geschmolzenem Metall (wenn das Metall einen niedrigen Schmelzpunkt hat).

Borieren – Diffusionssättigung der Oberfläche von Metallen und Legierungen mit Bor zur Erhöhung der Härte, Korrosionsbeständigkeit und Verschleißfestigkeit erfolgt durch Elektrolyse in geschmolzenem Borsalz. Borieren sorgt für eine besonders hohe Oberflächenhärte, Verschleißfestigkeit, erhöht die Korrosionsbeständigkeit und Hitzebeständigkeit. Borstähle weisen eine hohe Korrosionsbeständigkeit in wässrigen Lösungen von Salz-, Schwefel- und Phosphorsäure auf. Borieren wird für Gusseisen- und Stahlteile verwendet, die unter Reibungsbedingungen in einer aggressiven Umgebung arbeiten (in der Chemietechnik).

Beim Aluminieren handelt es sich um einen Prozess der Diffusionssättigung der Oberflächenschicht mit Aluminium, der in pulverförmigen Aluminiummischungen oder in geschmolzenem Aluminium durchgeführt wird. Ziel ist es, eine hohe Hitzebeständigkeit der Oberfläche von Stahlteilen zu erreichen. Das Aluminieren wird in festen und flüssigen Medien durchgeführt.

Silizierung – Die Diffusionssättigung mit Silizium erfolgt in einer Gasatmosphäre. Die mit Silizium gesättigte Schicht des Stahlteils weist keine sehr hohe Härte, aber eine hohe Korrosionsbeständigkeit und eine erhöhte Verschleißfestigkeit in Meerwasser, Salpetersäure, Salzsäure und Schwefelsäure auf. Silikonisierte Teile werden in der Chemie-, Zellstoff-, Papier- und Ölindustrie eingesetzt. Zur Erhöhung der Hitzebeständigkeit wird die Silikonisierung bei Produkten aus Legierungen auf Basis von Molybdän und Wolfram eingesetzt, die eine hohe Hitzebeständigkeit aufweisen.

Eine wesentliche Rolle spielen Diffusionsprozesse in Metallen. Wenn zwei Metalle durch Abscheiden oder Pressen des Pulvers eines Metalls mit einem anderen in engen Kontakt gebracht und ausreichend hohen Temperaturen ausgesetzt werden, diffundiert jedes dieser beiden Metalle in das andere. Ist eines der Metalle flüssig, diffundiert es gleichzeitig in den Feststoff und löst ihn auf.

Geht man von reinen Metallen aus, so bildet sich in der Zwischenschicht eine ganze Phasenskala beider Metalle, meist getrennt vom Grenzphasengemisch. Der Konzentrationsunterschied in den einzelnen Schichten ist sehr unterschiedlich; Die Diffusionsgeschwindigkeit hängt daher stark von der Struktur des Gitters ab. Bei einer kontinuierlichen Reihe fester Lösungen hängt die Diffusionsgeschwindigkeit auch von der Zusammensetzung der Schüttung ab; Daher ist die Diffusion von Kupfer in Nickel mit hohem Schmelzpunkt viel langsamer als die Diffusion von Nickel in Kupfer. Im gleichen Metall diffundieren andere Metalle, wie die Experimente von Gevez und Septs mit Blei zeigten, umso schneller, je weiter sie in ihren Gruppen im Periodensystem voneinander entfernt sind (je weiter sie in ihrer Wertigkeit liegen). Durch die Verwendung eines radioaktiven Bleiisotops lässt sich zudem feststellen, dass homogene Atome besonders langsam ihre Plätze tauschen. Die Tatsache dieser Autodiffusion weist eindeutig auf die Bewegung von Metallatomen bei hohen Temperaturen hin, auf der auch die Kristallisation und das Kristallwachstum beruhen.