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

Mikä on diffuusio

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

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

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

Diffuusio nesteessä

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

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

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

Kaasujen tunkeutuminen toisiinsa

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

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

Diffuusio kiinteissä aineissa

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

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

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

Kaasujen diffuusio metalleissa

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

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

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

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

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

Nesteiden diffuusio metalleissa

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

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

Edellytykset diffuusion kiihdyttämiselle. Diffuusiokerroin

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Diffuusioyhtälö

Tämä ilmiö on erityinen osittaisen differentiaaliyhtälön tyyppi.

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

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

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

∇ on, jonka koordinaattikomponentit ovat osittaisia ​​derivaattoja.

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

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

Kaikki, mitä meille ja ympärillämme tapahtuu, herättää aina kiinnostusta. Yksi mielenkiintoinen prosessi, josta monet ihmiset ovat kiinnostuneita, on diffuusio. Jos olet kiinnostunut diffuusiosta, artikkelimme on hyödyllinen.

Mikä on diffuusio?

Diffuusio on prosessi, jossa seos siirtyy korkean pitoisuuden alueelta alhaisen pitoisuuden alueelle. Syynä tähän on atomien ja molekyylien liikkuminen. Yleensä syynä on lämpö, ​​jonka vaikutuksesta koko prosessi tapahtuu. Se päättyy, kun pitoisuusgradientti päättyy.

Kaasujen ja nesteiden diffuusio tapahtuu nopeasti, mikä ei ole kiinteiden aineiden tapauksessa. Tämä on helposti havaittavissa arjessa, koska veden lämmitys on paljon nopeampaa kuin muovin sulattaminen. Vertailun vuoksi monet ihmiset sekoittavat sen kaliumpermanganaattiin, joka värjää nesteen muutamassa sekunnissa. Mutta se ei ole enää mahdollista tehdä plastiliinilla. Jos kaksi plastiliinipalaa sekoitetaan, niiden vuorovaikutuksessa on tehtävä paljon vaivaa. Tämä vahvistaa jälleen kerran, että diffuusionopeus voi olla erilainen. Synteettiset materiaalit altistuvat heikosti diffuusiolle, ja metallimateriaalit ovat päinvastaisia.

Aineessa aina läsnä olevat hiukkaset voivat diffundoitua. Vieraat aineet ovat myös herkkiä tälle prosessille.

Kuinka saada aikaan diffuusio?

Jotta diffuusio tapahtuisi kaasuissa ja nesteissä, on käytettävä Brownin liikettä. Se edustaa molekyylien liikettä korkeiden lämpötilojen vaikutuksesta.

Diffuusiopumppua voidaan käyttää kiinteiden aineiden diffuusion aikaansaamiseen. Se sisältää öljyä, joka lämpenee ja nousee, ja sitten tapahtuu pumppaus. Tällä hetkellä höyryt kulkevat ylöspäin ja putoavat alas erityisten jäähdytyspumppukanavien kautta. Matkan varrella ne keräävät kaasuja ja ottavat ne mukaansa. Höyry tiivistyy ja virtaa erityiseen säiliöön. Kaikki tämä mahdollistaa minimaalisen paineen saavuttamisen.

Diffuusiotyypit

Diffuusio voi olla:

• kolloidinen;
• konvektiivinen;
• kvantti;
• myrskyisä.

Ensimmäinen diffuusiotyyppi on prosessi, joka tapahtuu kiinteissä aineissa. Turbulentti on pienten hiukkasten siirtymistä pyörteisessä virtauksessa. Kvanttidiffuusio tapahtuu siellä, missä lämpötilat ovat erittäin alhaiset ja kondensaatiota esiintyy. Konvektiivinen diffuusio tapahtuu, kun hiukkaset liikkuvat väliaineessa, joka myös liikkuu tietyllä nopeudella.

Usein on mahdollista havaita, kuinka diffuusio viittaa ilmiöihin, joiden aikana hiukkaset eivät siirry. Esimerkiksi optiikassa voi kohdata säteilyn siirtymisprosessin väliaineessa, joka on heterogeeninen. Tähän prosessiin on liitettävä fotonien absorptio, jota kutsutaan diffuusioksi.

Missä voit nähdä diffuusiota elämässä?

Helpoin esimerkki diffuusion toiminnasta on hengityksemme. Happi tulee keuhkoihin, kun ne avautuvat, ja siirtyy sitten vereen. Diffuusion avulla hiilidioksidi ei kerry ihmisen ympärille, vaan se sekoittuu happeen ja leviää tasaisesti ilmaan. Tämä prosessi voidaan havaita muilla elämänalueilla.

Diffuusio

Esimerkki diffuusiosta on kaasujen sekoittuminen (esimerkiksi hajujen leviäminen) tai nesteiden (jos mustetta tiputetaan veteen, nesteen väri muuttuu tasaisen ajan kuluttua). Toinen esimerkki liittyy kiinteään aineeseen: kosketuksissa olevien metallien atomit sekoittuvat kosketusrajalla. Hiukkasdiffuusiolla on tärkeä rooli plasmafysiikassa.

Yleensä diffuusio ymmärretään prosesseina, joihin liittyy aineen siirtyminen, mutta joskus diffuusioksi kutsutaan myös muita siirtoprosesseja: lämmönjohtavuus, viskoosi kitka jne.

Diffuusionopeus riippuu monista tekijöistä. Näin ollen metallitangon tapauksessa lämpödiffuusio tapahtuu hyvin nopeasti. Jos sauva on valmistettu synteettisestä materiaalista, lämpödiffuusio tapahtuu hitaasti. Molekyylien diffuusio etenee yleensä vielä hitaammin. Esimerkiksi jos pala sokeria laitetaan vesilasillisen pohjalle eikä vettä sekoita, kestää useita viikkoja ennen kuin liuos muuttuu homogeeniseksi. Kiinteän aineen diffuusio toiseen tapahtuu vielä hitaammin. Esimerkiksi jos kupari päällystetään kullalla, tapahtuu kullan diffuusiota kupariin, mutta normaaleissa olosuhteissa (huoneenlämpötila ja ilmanpaine) kultaa sisältävä kerros saavuttaa useiden mikrometrien paksuuden vasta useiden tuhansien vuosien kuluttua.

Kvantitatiivisen kuvauksen diffuusioprosesseista antoi saksalainen fysiologi A. Fick ( Englanti) vuonna 1855

yleinen kuvaus

Kaikki diffuusiotyypit noudattavat samoja lakeja. Diffuusionopeus on verrannollinen näytteen poikkileikkauspinta-alaan sekä pitoisuuksien, lämpötilojen tai varausten eroihin (jos näiden parametrien arvot ovat suhteellisen pieniä). Näin lämpö leviää neljä kertaa nopeammin halkaisijaltaan kahden senttimetrin sauvan läpi kuin yhden sentin halkaisijan. Tämä lämpö leviää nopeammin, jos yhden senttimetrin lämpötilaero on 10°C 5°C:n sijaan. Diffuusionopeus on myös verrannollinen tiettyä materiaalia kuvaavaan parametriin. Lämmön diffuusion tapauksessa tätä parametria kutsutaan lämmönjohtavuudeksi, sähkövarausten virtauksen tapauksessa sähkönjohtavuudeksi. Tietyn ajan kuluessa diffundoituneen aineen määrä ja diffuusioivan aineen kulkema matka ovat verrannollisia diffuusioajan neliöjuureen.

Diffuusio on prosessi molekyylitasolla, ja sen määrää yksittäisten molekyylien liikkeen satunnainen luonne. Diffuusionopeus on siis verrannollinen molekyylien keskimääräiseen nopeuteen. Kaasujen tapauksessa pienten molekyylien keskinopeus on suurempi, eli se on kääntäen verrannollinen molekyylin massan neliöjuureen ja kasvaa lämpötilan noustessa. Diffuusioprosessit kiinteissä aineissa korkeissa lämpötiloissa löytävät usein käytännön sovellutuksia. Esimerkiksi tietyntyyppisissä katodisädeputkissa (CRT) käytetään toriummetallia, joka on diffundoitunut volframimetallin läpi 2000 °C:ssa.

Jos kaasuseoksessa yhden molekyylin massa on neljä kertaa suurempi kuin toisen, niin tällainen molekyyli liikkuu kaksi kertaa hitaammin kuin sen liike puhtaassa kaasussa. Vastaavasti sen diffuusionopeus on myös pienempi. Tätä eroa kevyiden ja raskaiden molekyylien diffuusionopeudessa käytetään erottamaan eri molekyylipainoisia aineita. Esimerkki on isotooppierotus. Jos kahta isotooppia sisältävä kaasu johdetaan huokoisen kalvon läpi, kevyemmät isotoopit kulkevat kalvon läpi nopeammin kuin raskaammat. Paremman erottelun saavuttamiseksi prosessi suoritetaan useissa vaiheissa. Tätä menetelmää käytettiin laajasti uraani-isotooppien erottamiseen (235 U:n erottaminen 238 U:n bulkista). Koska tämä erotusmenetelmä vaatii paljon energiaa, on kehitetty muita, taloudellisempia erotusmenetelmiä. Esimerkiksi lämpödiffuusion käyttöä kaasuympäristössä kehitetään laajalti. Kaasu, joka sisältää isotooppien seosta, asetetaan kammioon, jossa säilytetään tilalämpötilaero (gradientti). Tässä tapauksessa raskaat isotoopit keskittyvät kylmälle alueelle ajan myötä.

Fickin yhtälöt

Termodynamiikan näkökulmasta minkä tahansa tasoitusprosessin ohjauspotentiaali on entropian kasvu. Vakiopaineessa ja lämpötilassa tällaisen potentiaalin rooli on kemiallinen potentiaali µ , joka määrää ainevirtojen ylläpidon. Aineen hiukkasten virtaus on verrannollinen potentiaaligradienttiin

~

Useimmissa käytännön tapauksissa käytetään pitoisuutta kemiallisen potentiaalin sijaan C. Suora vaihto µ päällä C muuttuu virheelliseksi korkeiden pitoisuuksien tapauksessa, koska kemiallinen potentiaali ei enää liity pitoisuuteen logaritmisen lain mukaan. Jos emme ota huomioon tällaisia ​​tapauksia, yllä oleva kaava voidaan korvata seuraavalla:

joka osoittaa, että aineen vuontiheys J verrannollinen diffuusiokertoimeen D[()] ja pitoisuusgradientti. Tämä yhtälö ilmaisee Fickin ensimmäisen lain. Fickin toinen laki koskee pitoisuuden tilallisia ja ajallisia muutoksia (diffuusioyhtälö):

Diffuusiokerroin D riippuu lämpötilasta. Useissa tapauksissa laajalla lämpötila-alueella tämä riippuvuus on Arrhenius-yhtälö.

Kemiallisen potentiaaligradientin rinnalla käytetty lisäkenttä häiritsee vakaan tilan. Tässä tapauksessa diffuusioprosesseja kuvataan epälineaarisella Fokker-Planck-yhtälöllä. Diffuusioprosessit ovat erittäin tärkeitä luonnossa:

• Eläinten ja kasvien ravitsemus, hengitys;
• Hapen tunkeutuminen verestä ihmisen kudoksiin.

Fick-yhtälön geometrinen kuvaus

Toisessa Fick-yhtälössä vasemmalla puolella on pitoisuuden muutosnopeus ajan kuluessa ja yhtälön oikealla puolella on toinen osaderivaatta, joka ilmaisee pitoisuuden spatiaalista jakautumista, erityisesti lämpötilan konveksiaa. jakautumisfunktio projisoituna x-akselille.

Katso myös

• Pintadiffuusio on prosessi, joka liittyy hiukkasten liikkeeseen, jotka tapahtuvat kondensoidun kappaleen pinnalla atomien (molekyylien) ensimmäisen pintakerroksen sisällä tai tämän kerroksen päällä.

Huomautuksia

Kirjallisuus

• Bokshtein B.S. Atomit vaeltavat kristallin ympärillä. - M.: Nauka, 1984. - 208 s. - (Kvanttikirjasto. Numero 28). - 150 000 kappaletta.

Linkit

• Diffuusio (videotunti, 7. luokan ohjelma)
• Epäpuhtausatomien diffuusio yksittäisen kiteen pinnalla

Wikimedia Foundation. 2010 .

Synonyymit:

Katso, mitä "Diffusion" on muissa sanakirjoissa:

- [lat. diffuusio leviäminen, leviäminen] fysikaalinen, kemiallinen. yhden aineen (kaasu, neste, kiinteä) molekyylien tunkeutuminen toiseen suoraan kosketuksen tai huokoisen väliseinän kautta. Vieraiden sanojen sanakirja. Komlev N.G., ...... Venäjän kielen vieraiden sanojen sanakirja

Diffuusio- – yhden aineen hiukkasten tunkeutuminen ympäristöön toisen aineen hiukkasten toimesta, joka tapahtuu lämpöliikkeen seurauksena toisen aineen pitoisuuden alenemisen suuntaan. [Blum E.E. Metallurgisten perustermien sanakirja. Jekaterinburg… Rakennusmateriaalien termien, määritelmien ja selitysten tietosanakirja

Nykyaikainen tietosanakirja

- (latinasta diffuusio, leviäminen, dispersio), väliaineen hiukkasten liikkuminen, joka johtaa aineen siirtymiseen ja pitoisuuksien tasaamiseen tai tietyn tyyppisten hiukkasten pitoisuuksien tasapainojakauman muodostumiseen väliaineessa. Poissaollessa… … Suuri Ensyklopedinen sanakirja

DIFFUUSIO, aineen liikkuminen seoksessa korkean pitoisuuden alueelta alhaisen pitoisuuden alueelle, joka johtuu yksittäisten atomien tai molekyylien satunnaisesta liikkeestä. Diffuusio pysähtyy, kun pitoisuusgradientti katoaa. Nopeus… … Tieteellinen ja tekninen tietosanakirja

diffuusio- ja f. diffuusio f., saksa Diffuusio lat. diffuusio leviää, leviää. Koskettavien aineiden keskinäinen tunkeutuminen toisiinsa molekyylien ja atomien lämpöliikkeen vuoksi. Kaasujen ja nesteiden diffuusio. BAS 2. || trans. He…… Venäjän kielen gallismien historiallinen sanakirja

Diffuusio- (latinan sanasta diffuusio jakautuminen, leviäminen, dispersio), väliaineen hiukkasten liike, joka johtaa aineen siirtymiseen ja pitoisuuksien tasaamiseen tai niiden tasapainojakauman muodostumiseen. Tyypillisesti diffuusio määräytyy lämpöliikkeen avulla.... Kuvitettu tietosanakirja

Lämpöliikkeen aiheuttama hiukkasten liike niiden pitoisuuden pienenemisen suuntaan. D. johtaa diffundoivan aineen pitoisuuksien tasaamiseen ja tilavuuden tasaiseen täyttämiseen hiukkasilla.... ... Geologinen tietosanakirja

Kunnan oppilaitos Zaozernayan lukio, jossa on syvällinen yksittäisten aineiden opiskelu nro 16

Aihe: "Diffuusio elävässä ja elottomassa luonnossa."

Valmistunut:

luokan 8A oppilas Zyabrev Kirill.

Fysiikan opettaja: Zavyalova G.M.

Biologian opettaja: Zyabreva V.F.

Tomsk - 2008

I. Johdanto. …………………………………………………………… 3

II. Diffuusio elävässä ja elottomassa luonnossa.

1. Ilmiön löytämisen historia. ………………………………………. 4

2. Diffuusio, sen tyypit. …………………………………………….. 6

3. Mistä diffuusionopeus riippuu? ………………………….. 7

4. Diffuusio elottomassa luonnossa. ……………………………… 8

5. Diffuusio villieläimissä. …………………………………… 9

6. Diffuusioilmiöiden käyttö. ……………………………. 16

7. Yksittäisten diffuusioilmiöiden suunnittelu. …………… 17

III. Johtopäätös. ……………………………………………………… 20

IV. Käytetyt kirjat. ………………………………………. . 21

I. Johdanto.

Ympärillämme tapahtuu niin paljon hämmästyttävää ja mielenkiintoista. Yötaivaalla loistaa kaukaiset tähdet, ikkunassa palaa kynttilä, tuuli kantaa kukkivan lintukirsikan tuoksua, ikääntyvä isoäiti seuraa sinua katseillaan.... Haluan tietää paljon, yritä selittää se itse. Loppujen lopuksi monet luonnonilmiöt liittyvät diffuusioprosesseihin, joista puhuimme äskettäin koulussa. Mutta he sanoivat niin vähän!

Työn tavoitteet :

1. Laajenna ja syvennä tietoa diffuusiosta.

2. Mallinna yksittäisiä diffuusioprosesseja.

3. Luo lisää tietokonepohjaista materiaalia käytettäväksi fysiikan ja biologian tunneilla.

Tehtävät:

1. Etsi tarvittava materiaali kirjallisuudesta, Internetistä, tutki ja analysoi sitä.

2. Selvitä, missä diffuusioilmiöitä esiintyy elävässä ja elottomassa luonnossa (fysiikka ja biologia), mikä merkitys niillä on ja missä ihmiset käyttävät niitä.

3. Kuvaile ja suunnittele tämän ilmiön kiinnostavimmat kokeet.

4. Luo animoituja malleja joistakin diffuusioprosesseista.

Menetelmät: kirjallisuuden analysointi ja synteesi, suunnittelu, mallintaminen.

Työni koostuu kolmesta osasta; pääosa koostuu 7 luvusta. Opiskelin ja prosessoin aineistoa 13 kirjallisesta lähteestä, mukaan lukien opetus-, viite-, tieteellinen kirjallisuus ja Internet-sivustot, sekä valmistelin Power Point -editorilla tehdyn esityksen.

II. Diffuusio elävässä ja elottomassa luonnossa.

II .1. Diffuusioilmiön löytämisen historia.

Tarkastellessaan kukkien siitepölyn suspensiota vedessä mikroskoopilla Robert Brown havaitsi hiukkasten kaoottisen liikkeen, joka ei noussut "ei nesteen liikkeestä eikä sen haihtumista". Suspendoituneet hiukkaset, joiden koko oli enintään 1 µm, näkyvissä vain mikroskoopilla, suorittivat epäsäännöllisiä itsenäisiä liikkeitä, jotka kuvaavat monimutkaisia ​​siksak-ratoja. Brownin liike ei heikkene ajan myötä eikä riipu väliaineen kemiallisista ominaisuuksista; sen intensiteetti kasvaa väliaineen lämpötilan noustessa ja sen viskositeetin ja hiukkaskoon pienentyessä. Jopa laadullinen selitys Brownin liikkeen syistä oli mahdollista vasta 50 vuotta myöhemmin, kun Brownin liikkeen syy alettiin yhdistää nestemolekyylien vaikutuksiin siihen suspendoituneen hiukkasen pintaan.

Ensimmäisen Brownin liikkeen kvantitatiivisen teorian esittivät A. Einstein ja M. Smoluchowski vuosina 1905-06. perustuu molekyylikineettiseen teoriaan. Osoitettiin, että Brownin hiukkasten satunnaiset kävelyt liittyvät niiden osallistumiseen lämpöliikkeeseen sekä väliaineen molekyyleihin, joihin ne ovat suspendoituneet. Hiukkasilla on keskimäärin sama liike-energia, mutta suuremman massansa vuoksi niiden nopeus on pienempi. Brownin liikkeen teoria selittää hiukkasten satunnaiset liikkeet molekyylien satunnaisten voimien ja kitkavoimien vaikutuksesta. Tämän teorian mukaan nesteen tai kaasun molekyylit ovat jatkuvassa lämpöliikkeessä, eivätkä eri molekyylien impulssit ole samat suuruudeltaan ja suunnaltaan. Jos tällaiseen väliaineeseen sijoitetun hiukkasen pinta on pieni, kuten Brownin hiukkasella, hiukkasen kokemat vaikutukset sitä ympäröivistä molekyyleistä eivät kompensoidu tarkasti. Siksi molekyylien "pommituksen" seurauksena Brownin hiukkanen tulee satunnaiseen liikkeeseen, mikä muuttaa nopeudensa suuruutta ja suuntaa noin 1014 kertaa sekunnissa. Tästä teoriasta seurasi, että mittaamalla hiukkasen siirtymä tietyn ajan kuluessa ja tuntemalla sen säde ja nesteen viskositeetti, voidaan laskea Avogadron luku.

Brownin liikkeen teorian päätelmät vahvistettiin J. Perrinin ja T. Svedbergin mittauksilla vuonna 1906. Näiden suhteiden perusteella Boltzmannin vakio ja Avogadron vakio määritettiin kokeellisesti. (Avogadron vakio merkitty NA:lla, molekyylien tai atomien lukumäärä 1 moolissa ainetta, NA = 6.022.1023 mol-1; nimi A. Avogadron kunniaksi.

Boltzmannin vakio, fyysinen vakio k, yhtä suuri kuin yleisen kaasuvakion suhde R Avogadron numeroon N V: k = R / N A = 1,3807,10-23 J/K. Nimetty L. Boltzmannin mukaan.)

Brownin liikettä tarkasteltaessa hiukkasen sijainti tallennetaan säännöllisin väliajoin. Mitä lyhyemmät aikavälit ovat, sitä katkeremmalta hiukkasen liikerata näyttää.

Brownin liikkeen lait toimivat selkeänä vahvistuksena molekyylikineettisen teorian perusperiaatteille. Lopulta todettiin, että aineen terminen liikkeen muoto johtuu makroskooppisia kappaleita muodostavien atomien tai molekyylien kaoottisesta liikkeestä.

Brownin liikkeen teorialla oli tärkeä rooli tilastollisen mekaniikan perustelussa, siihen perustuu vesiliuosten koaguloitumisen (sekoittumisen) kineettinen teoria. Lisäksi sillä on käytännön merkitystä metrologiassa, sillä Brownin liikettä pidetään pääasiallisena mittauslaitteiden tarkkuutta rajoittavana tekijänä. Esimerkiksi peiligalvanometrin lukemien tarkkuusraja määräytyy peilin värähtelyn perusteella, kuten ilmamolekyylien pommittama Brownin hiukkanen. Brownin liikkeen lait määräävät elektronien satunnaisen liikkeen, joka aiheuttaa kohinaa sähköpiireissä. Dielektristen aineiden dielektriset häviöt selittyvät eristeen muodostavien dipolimolekyylien satunnaisilla liikkeillä. Ionien satunnaiset liikkeet elektrolyyttiliuoksissa lisäävät niiden sähkövastusta.

Brownin hiukkasten liikeradat (Perrinin koekaavio); Pisteet osoittavat hiukkasten paikat yhtäläisin aikavälein.

Täten, DIFFUUSIO TAI RUSKEA LIIKKE - Tämä nesteeseen tai kaasuun suspendoituneiden pienten hiukkasten satunnainen liike, joka tapahtuu ympäristömolekyylien vaikutusten vaikutuksesta; avata

R. Brown vuonna 1827

II. 2. Diffuusio, sen tyypit.

Ero tehdään diffuusio ja itsediffuusio.

Diffuusio on yhden aineen molekyylien spontaani tunkeutuminen toisen aineen molekyylien välisiin tiloihin. Tässä tapauksessa hiukkaset sekoittuvat. Diffuusiota havaitaan kaasuille, nesteille ja kiinteille aineille. Esimerkiksi pisara mustetta sekoitetaan lasilliseen vettä. Tai Kölnin haju leviää koko huoneeseen.

Diffuusio, kuten itsediffuusio, on olemassa niin kauan kuin aineen tiheysgradientti on olemassa. Jos minkä tahansa yhden ja saman aineen tiheys ei ole sama tilavuuden eri osissa, havaitaan itsediffuusioilmiö. Itsehajautus kutsutaan tiheyden tasausprosessiksi(tai siihen verrannollinen keskittyminen) sama aine. Diffuusio ja itsediffuusio tapahtuvat molekyylien lämpöliikkeen seurauksena, mikä epätasapainotiloissa synnyttää ainevirtoja.

Massavuon tiheys on aineen massa ( dm), joka leviää aikayksikköä kohti yksikköalueen läpi ( dS pl), kohtisuorassa akseliin nähden x :

(1.1)

Diffuusioilmiö noudattaa Fickin lakia

(1.2)

missä on tiheysgradientin moduuli, joka määrittää tiheyden muutosnopeuden akselin suunnassa X ;

D- diffuusiokerroin, joka lasketaan molekyylikineettisestä teoriasta kaavaa käyttäen

(1.3)

missä on molekyylien keskimääräinen lämpöliikkeen nopeus;

Molekyylien keskimääräinen vapaa reitti.

Miinusmerkki osoittaa, että massasiirtymä tapahtuu pienenevän tiheyden suuntaan.

Yhtälöä (1.2) kutsutaan diffuusioyhtälöksi tai Fickin laiksi.

II. 3. Diffuusionopeus.

Kun hiukkanen liikkuu aineessa, se törmää jatkuvasti molekyyleinsä. Tämä on yksi syistä, miksi diffuusio on normaaliolosuhteissa hitaampaa kuin normaali liike. Mistä diffuusionopeus riippuu?

Ensinnäkin hiukkasten törmäysten välisestä keskimääräisestä etäisyydestä, ts. vapaa polun pituus. Mitä pidempi tämä pituus, sitä nopeammin hiukkanen tunkeutuu aineeseen.

Toiseksi paine vaikuttaa nopeuteen. Mitä tiheämpi hiukkasten pakkaus aineessa on, sitä vaikeampi on vieraan hiukkasen tunkeutua sellaiseen pakkaukseen.

Kolmanneksi aineen molekyylipainolla on suuri merkitys diffuusionopeuteen. Mitä suurempi kohde, sitä todennäköisemmin se osuu, ja törmäyksen jälkeen nopeus aina hidastuu.

Ja neljänneksi lämpötila. Lämpötilan noustessa hiukkasten värähtely lisääntyy ja molekyylien nopeus kasvaa. Diffuusionopeus on kuitenkin tuhat kertaa hitaampi kuin vapaan liikkeen nopeus.

Kaikki diffuusiotyypit noudattavat samoja lakeja ja niitä kuvaa diffuusiokerroin D, joka on skalaarisuure ja määräytyy Fickin ensimmäisestä laista.

Yksiulotteiseen diffuusioon ,

jossa J on aineen atomien tai vikojen vuontiheys,
D - diffuusiokerroin,
N on aineen atomien tai vikojen pitoisuus.

Diffuusio on prosessi molekyylitasolla, ja sen määrää yksittäisten molekyylien liikkeen satunnainen luonne. Diffuusionopeus on siksi verrannollinen molekyylien keskimääräiseen nopeuteen. Kaasujen tapauksessa pienten molekyylien keskinopeus on suurempi, eli se on kääntäen verrannollinen molekyylin massan neliöjuureen ja kasvaa lämpötilan noustessa. Diffuusioprosessit kiinteissä aineissa korkeissa lämpötiloissa löytävät usein käytännön sovellutuksia. Esimerkiksi tietyntyyppisissä katodisädeputkissa (CRT) käytetään toriummetallia, joka on diffundoitunut volframimetallin läpi 2000 ºC:ssa.

Jos kaasuseoksessa yksi molekyyli on neljä kertaa painavampi kuin toinen, niin tällainen molekyyli liikkuu kaksi kertaa hitaammin kuin sen liike puhtaassa kaasussa. Vastaavasti sen diffuusionopeus on myös pienempi. Tätä eroa kevyiden ja raskaiden molekyylien diffuusionopeudessa käytetään erottamaan eri molekyylipainoisia aineita. Esimerkki on isotooppien erottaminen. Jos kahta isotooppia sisältävä kaasu johdetaan huokoisen kalvon läpi, kevyemmät isotoopit kulkevat kalvon läpi nopeammin kuin raskaammat. Paremman erottelun saavuttamiseksi prosessi suoritetaan useissa vaiheissa. Tätä prosessia käytettiin laajasti uraani-isotooppien erottamiseen (neutronisäteilyn alaisena halkeavan 235U:n erottaminen 238U:sta). Koska tämä erotusmenetelmä vaatii paljon energiaa, on kehitetty muita, taloudellisempia erotusmenetelmiä. Esimerkiksi lämpödiffuusion käyttöä kaasuympäristössä kehitetään laajalti. Kaasu, joka sisältää isotooppien seosta, asetetaan kammioon, jossa säilytetään tilalämpötilaero (gradientti). Tässä tapauksessa raskaat isotoopit keskittyvät kylmälle alueelle ajan myötä.

Johtopäätös. Difuuseihin muutoksiin vaikuttavat:

· aineen molekyylipaino (mitä suurempi molekyylipaino, sitä pienempi nopeus);

· keskimääräinen etäisyys hiukkasten törmäysten välillä (mitä pidempi polun pituus, sitä suurempi nopeus);

· paine (mitä suurempi hiukkasten pakkaus, sitä vaikeampi on murtautua läpi),

· lämpötila (lämpötilan noustessa nopeus kasvaa).

II.4. Diffuusio elottomassa luonnossa.

Tiesitkö, että koko elämämme on rakennettu oudolle luonnon paradoksille? Kaikki tietävät, että hengittämämme ilma koostuu eri tiheyksillä olevista kaasuista: typen N2, happi O2, hiilidioksidi CO2 ja pienestä määrästä muita epäpuhtauksia. Ja nämä kaasut on järjestettävä kerroksittain painovoiman mukaan: raskain, CO 2, on aivan maan pinnalla, sen yläpuolella on O 2 ja vielä korkeammalla on N 2. Mutta näin ei tapahdu. Meitä ympäröi homogeeninen kaasuseos. Miksi liekki ei sammu? Loppujen lopuksi sitä ympäröivä happi palaa nopeasti? Tässä, kuten ensimmäisessä tapauksessa, kohdistusmekanismi toimii. Diffuusio ehkäisee epätasapainoa luonnossa!

Miksi meri on suolaista? Tiedämme, että joet murtautuvat kivien ja mineraalien paksuuden läpi ja huuhtelevat suoloja mereen. Miten suola ja vesi sekoittuvat? Tämä voidaan selittää yksinkertaisella kokeella:

KOKEMUKSEN KUVAUS: Kaada kuparisulfaatin vesiliuos lasiastiaan. Kaada varovasti puhdasta vettä liuoksen päälle. Tarkkailemme nesteiden välistä rajaa.

Kysymys: Mitä näille nesteille tapahtuu ajan myötä, ja mitä haemme?

Ajan myötä kosketuksissa olevien nesteiden välinen raja alkaa hämärtyä. Nesteitä sisältävä astia voidaan laittaa kaappiin ja päivästä toiseen voi seurata, kuinka nesteiden spontaania sekoittumista tapahtuu. Lopulta astiaan muodostuu homogeeninen vaaleansininen neste, joka on valossa lähes väritön.

Kuparisulfaattihiukkaset ovat vettä raskaampia, mutta diffuusion ansiosta ne nousevat hitaasti ylöspäin. Syynä on nesteen rakenne. Nestemäiset hiukkaset pakataan kompakteihin ryhmiin - pseudonummiin. Ne on erotettu toisistaan ​​tyhjillä - rei'illä. Ytimet eivät ole stabiileja, niiden hiukkaset eivät pysy tasapainossa pitkään. Heti kun hiukkaselle välitetään energiaa, hiukkanen irtoaa ytimestä ja putoaa tyhjiöön. Sieltä se hyppää helposti toiseen ytimeen jne.

Vieraan aineen molekyylit aloittavat matkansa nesteen läpi reikistä. Matkalla ne törmäävät ytimiin, lyövät niistä hiukkasia ja ottavat paikkansa. Siirtyessään vapaasta paikasta toiseen ne sekoittuvat hitaasti nestemäisten hiukkasten kanssa. Tiedämme jo, että diffuusionopeus on alhainen. Siksi normaaliolosuhteissa tämä koe kesti 18 päivää, lämmittämällä - 2-3 minuuttia.

Johtopäätös: Auringon liekissä, kaukaisten valaisevien tähtien elämässä ja kuolemassa, hengitetyssä ilmassa, sään muutoksissa, lähes kaikissa fysikaalisissa ilmiöissä näemme kaikkivaltiaan diffuusion ilmentymän!

II.5. Diffuusio elävässä luonnossa.

Diffuusioprosesseja on nyt tutkittu hyvin, niiden fysikaaliset ja kemialliset lait on vakiinnutettu, ja ne soveltuvat varsin hyvin molekyylien liikkumiseen elävässä organismissa. Diffuusio elävissä organismeissa liittyy erottamattomasti solun plasmakalvoon. Siksi on tarpeen selvittää, miten se on rakentunut ja miten sen rakenteen ominaisuudet liittyvät aineiden kuljetuksiin solussa.

Plasmakalvo (plasmalemma, solukalvo), pinta-, reunarakenne, joka ympäröi kasvi- ja eläinsolujen protoplasmaa, ei toimi vain mekaanisena esteenä, vaan mikä tärkeintä, rajoittaa matala- ja korkea- molekyyliset aineet soluun ja sieltä ulos. Lisäksi plasmalemma toimii rakenteena, joka "tunnistaa" erilaisia ​​kemiallisia aineita ja säätelee näiden aineiden selektiivistä kuljetusta soluun.

Plasmakalvon ulkopinta on peitetty löysällä, 3-4 nm paksuisella kuitukerroksella - glykokaliksilla. Se koostuu monimutkaisten hiilihydraattien haarautuvista ketjuista, kalvon integraalisista proteiineista, joiden väliin voivat sijaita solujen erittämät proteiiniyhdisteet sokerien kanssa ja proteiinit rasvojen kanssa. Täältä löytyy myös joitain soluentsyymejä, jotka osallistuvat aineiden solunulkoiseen hajoamiseen (solunulkoiseen ruoansulatukseen, esimerkiksi suoliston epiteelissä).

Koska lipidikerroksen sisäosa on hydrofobinen, se edustaa käytännössä läpäisemätöntä estettä useimmille polaarisille molekyyleille. Tämän esteen ansiosta solusisällön vuotaminen estyy, mutta tämän vuoksi solu pakotettiin luomaan erityisiä mekanismeja vesiliukoisten aineiden kuljettamiseksi kalvon läpi.

Plasmakalvo, kuten muutkin lipoproteiinisolukalvot, on puoliläpäisevä. Vedellä ja siihen liuenneilla kaasuilla on suurin läpäisykyky. Ionikuljetus voi tapahtua pitoisuusgradienttia pitkin eli passiivisesti ilman energiankulutusta. Tässä tapauksessa jotkin kalvonkuljetusproteiinit muodostavat molekyylikomplekseja, kanavia, joiden kautta ionit kulkevat kalvon läpi yksinkertaisella diffuusiolla. Muissa tapauksissa erityiset kalvonkuljetusproteiinit sitoutuvat selektiivisesti yhteen tai toiseen ioniin ja kuljettavat sen kalvon läpi. Tämän tyyppistä kuljetusta kutsutaan aktiiviseksi kuljetukseksi ja se suoritetaan proteiini-ionipumppujen avulla. Esimerkiksi kuluttamalla 1 ATP-molekyylin K-Na-pumppujärjestelmä pumppaa ulos 3 Na-ionia solusta yhdessä syklissä ja pumppaa 2 K-ionia pitoisuusgradienttia vastaan. Yhdessä aktiivisen ionikuljetuksen kanssa erilaiset sokerit, nukleotidit ja aminohapot tunkeutuvat plasmalemmaan. Makromolekyylit, kuten proteiinit, eivät kulje kalvon läpi. Ne, kuten myös suuremmat aineen hiukkaset, kuljetetaan soluun endosytoosin kautta. Endosytoosin aikana tietty plasmalemman alue vangitsee, ympäröi solunulkoista materiaalia ja sulkee sen kalvovakuoliin. Tämä vakuoli - endosomi - sulautuu sytoplasmassa ensisijaiseen lysosomiin ja kaapatun materiaalin pilkkoutuminen tapahtuu. Endosytoosi jaetaan muodollisesti fagosytoosiin (solun suurten hiukkasten otto) ja pinosytoosiin (liuosten otto). Plasmakalvo osallistuu myös aineiden poistoon solusta käyttämällä eksosytoosia, joka on päinvastainen endosytoosille.

Ionien diffuusio vesiliuoksissa on erityisen tärkeää eläville organismeille. Yhtä tärkeä on diffuusion rooli hengityksessä, fotosynteesissä ja kasvien transpiraatiossa; ilman hapen siirtämisessä keuhkojen alveolien seinämien läpi ja sen pääsyssä ihmisten ja eläinten vereen. Molekyyli-ionien diffuusio kalvojen läpi saadaan aikaan solun sisällä olevan sähköpotentiaalin avulla. Selektiivisen läpäisevyyden omaavat kalvot ovat tullin roolissa tavaroita siirrettäessä rajan yli: jotkut aineet päästään läpi, toiset säilytetään ja toiset yleensä "poistetaan" solusta. Kalvojen rooli solun elämässä on erittäin tärkeä. Kuoleva solu menettää kyvyn säädellä aineiden pitoisuutta kalvon läpi. Ensimmäinen merkki kuolevasta solusta on muutosten alkaminen sen ulkokalvon läpäisevyydessä ja toimintahäiriössä.

Perinteisen kuljetuksen - kineettinen prosessi, jossa aineen hiukkaset siirtyvät sähköisen tai kemiallisen potentiaalin, lämpötilan tai paineen gradientin vaikutuksesta - aktiivista kuljetusta tapahtuu myös soluprosesseissa - molekyylien ja ionien liikettä vastoin aineen pitoisuusgradienttia. aineet. Tätä diffuusiomekanismia kutsutaan osmoosiksi. (A. Nolle havaitsi osmoosin ensimmäisen kerran vuonna 1748, mutta ilmiön tutkimus alkoi sata vuotta myöhemmin.) Tämä prosessi tapahtuu vesiliuoksen erilaisen osmoottisen paineen vuoksi biologisen kalvon eri puolilla. Vesi kulkee usein vapaasti läpi. osmoosi kalvon läpi, mutta tämä kalvo voi olla veteen liuenneiden aineiden läpäisemätön. On uteliasta, että vesi virtaa tämän aineen diffuusiota vastaan, mutta noudattaa yleistä pitoisuusgradientin lakia (tässä tapauksessa vesi).

Siksi vesi pyrkii laimeammasta liuoksesta, jossa sen pitoisuus on korkeampi, väkevämpään aineen liuokseen, jossa vesipitoisuus on pienempi. Koska solu ei pysty suoraan imemään ja pumppaamaan vettä, se tekee tämän osmoosin kautta muuttaen siinä liuenneiden aineiden pitoisuutta. Osmoosi tasaa liuoksen pitoisuuden kalvon molemmilla puolilla. Solukalvon jännittynyt tila, jota kutsutaan turgorpaineeksi, riippuu solukalvon molemmilla puolilla olevien aineiden liuosten osmoottisesta paineesta ja solukalvon elastisuudesta, jota kutsutaan turgorpaineeksi (turgor - latinasta turgere). - olla turvonnut, täynnä). Tyypillisesti eläinsolukalvojen elastisuus (joitakin koelenteraatteja lukuun ottamatta) on alhainen, niiltä puuttuu korkea turgoripaine ja ne säilyttävät eheyden vain isotonisissa liuoksissa tai sellaisissa, jotka eroavat vähän isotonisista (sisäisen ja ulkoisen paineen ero on alle 0,5-1,0). olen). Elävissä kasvisoluissa sisäinen paine on aina suurempi kuin ulkoinen paine, mutta niissä ei tapahdu solukalvon repeytymistä selluloosasolun seinämän vuoksi. Kasvien sisäisten ja ulkoisten paineiden ero (esimerkiksi halofyyttikasveissa - suolaa rakastavissa sienissä) on 50-100. Mutta silti kasvisolun turvamarginaali on 60-70 %. Useimmissa kasveissa turgorin aiheuttama solukalvon suhteellinen venymä ei ylitä 5-10%, ja turgorin paine on välillä 5-10 aamulla. Turgorin ansiosta kasvikudoksilla on joustavuutta ja rakenteellista lujuutta. (Kokeet nro 3, nro 4 vahvistavat tämän). Kaikkiin autolyysiprosesseihin (itsetuho), kuihtumiseen ja ikääntymiseen liittyy turgorin paineen lasku.

Kun tarkastellaan diffuusiota elävässä luonnossa, ei voi olla mainitsematta absorptiota. Imeytyminen on prosessi, jossa eri aineet pääsevät ympäristöstä solukalvojen kautta soluihin ja niiden kautta kehon sisäiseen ympäristöön. Kasveissa tämä on prosessi, jossa vesi imeytyy aineiden kanssa, jotka ovat liuenneet siihen juurien ja lehtien kautta osmoosin ja diffuusion kautta; selkärangattomissa - ympäristöstä tai ontelon nesteestä. Primitiivisissä organismeissa imeytyminen tapahtuu pinosytoosin ja fagosytoosin kautta. Selkärankaisilla imeytyminen voi tapahtua sekä onteloelimistä - keuhkoista, kohdusta, rakosta että ihon pinnalta, haavan pinnalta jne. Haihtuvat kaasut ja höyryt imeytyvät ihoon.

Suurin fysiologinen merkitys on imeytymisellä maha-suolikanavassa, mikä tapahtuu pääasiassa ohutsuolessa. Aineiden tehokkaalle siirtymiselle suolen suuri pinta-ala ja jatkuvasti korkea verenkierto limakalvossa ovat erityisen tärkeitä, minkä ansiosta imeytyneiden yhdisteiden korkea pitoisuusgradientti säilyy. Ihmisillä suoliliepeen verenvirtaus aterioiden aikana on noin 400 ml/min ja ruuansulatuksen huipulla jopa 750 ml/min, ja pääosa (jopa 80 %) on verenkiertoa ruoansulatuselinten limakalvoissa. . Limakalvon pintaa lisäävien rakenteiden - pyöreät laskokset, villit, mikrovillit - läsnäolon vuoksi ihmisen suolen absorptiopinnan kokonaispinta-ala on 200 m2.

Vesi- ja suolaliuokset voivat levitä suolen seinämän molemmille puolille, sekä ohutsuolessa että paksusuolessa. Niiden imeytyminen tapahtuu pääasiassa ohutsuolen yläosissa. Na+-ionien kuljetuksella ohutsuolessa on suuri merkitys, minkä vuoksi syntyy pääasiassa sähköisiä ja osmoottisia gradientteja. Na+-ionien imeytyminen tapahtuu sekä aktiivisten että passiivisten mekanismien kautta.

Jos solussa ei olisi osmoottisen paineen säätelyjärjestelmiä, sen sisällä olevien liuenneiden aineiden pitoisuus olisi suurempi kuin niiden ulkoiset pitoisuudet. Tällöin veden pitoisuus solussa olisi pienempi kuin sen pitoisuus sen ulkopuolella. Seurauksena olisi jatkuva veden virtaus soluun ja sen rikkoutuminen. Onneksi eläinsolut ja bakteerit säätelevät osmoottista painetta soluissaan pumppaamalla aktiivisesti epäorgaanisia ioneja, kuten Na:ta. Siksi niiden kokonaispitoisuus solun sisällä on pienempi kuin sen ulkopuolella. Esimerkiksi sammakkoeläimet viettävät merkittävän osan ajastaan ​​vedessä, ja niiden veren ja imusolmukkeiden suolapitoisuus on korkeampi kuin makeassa vedessä. Sammakkoeläimet imevät jatkuvasti vettä ihonsa läpi. Siksi ne tuottavat paljon virtsaa. Esimerkiksi sammakko, jos sen kloakki on sidottu, turpoaa kuin ilmapallo. Ja päinvastoin, jos sammakkoeläin joutuu suolaiseen meriveteen, se kuivuu ja kuolee hyvin nopeasti. Siksi meret ja valtameret ovat ylitsepääsemätön este sammakkoeläimille. Kasvisoluilla on jäykät seinämät, jotka suojaavat niitä turvotukselta. Monet alkueläimet välttävät puhkeamista soluun tulevasta vedestä erityisten mekanismien avulla, jotka heittävät säännöllisesti sisään tulevan veden ulos.

Siten solu on avoin termodynaaminen järjestelmä, joka vaihtaa ainetta ja energiaa ympäristön kanssa, mutta säilyttää tietyn sisäisen ympäristön pysyvyyden. Nämä kaksi itsesäätelyjärjestelmän ominaisuutta - avoimuus ja pysyvyys - toteutuvat samanaikaisesti, ja aineenvaihdunta (aineenvaihdunta) on vastuussa solun pysyvyydestä. Aineenvaihdunta on säätelijä, joka edistää järjestelmän säilymistä ja varmistaa asianmukaisen reagoinnin ympäristövaikutuksiin. Siksi aineenvaihdunnan välttämätön edellytys on elävän järjestelmän ärtyneisyys kaikilla tasoilla, mikä toimii samalla tekijänä järjestelmän systemaattisuudessa ja eheydessä.

Kalvot voivat muuttaa läpäisevyyttään kemiallisten ja fysikaalisten tekijöiden vaikutuksesta, mukaan lukien kalvon depolarisaation seurauksena, kun sähköimpulssi kulkee hermosolujen läpi ja vaikuttaa siihen.

Neuroni on osa hermosäikettä. Jos ärsyke vaikuttaa sen toiseen päähän, syntyy sähköinen impulssi. Sen arvo on noin 0,01 V ihmisen lihassoluille ja se etenee noin 4 m/s nopeudella. Kun impulssi saavuttaa synapsin - neuronien välisen yhteyden, jota voidaan pitää eräänlaisena välittäjänä, joka välittää signaalin neuronista toiseen, sähköimpulssi muuttuu kemialliseksi impulssiksi välittäjäaineiden - spesifisten väliaineiden - vapautumisen kautta. Kun tällaisen väliaineen molekyylit tulevat hermosolujen väliseen aukkoon, välittäjäaine saavuttaa raon pään diffuusion avulla ja virittää seuraavan hermosolun.

Hermosolu reagoi kuitenkin vain, jos sen pinnalla on erityisiä molekyylejä - reseptoreita, jotka voivat sitoa vain tietyn lähettimen eivätkä reagoi toiseen. Tätä ei tapahdu vain kalvolla, vaan myös missä tahansa elimessä, kuten lihaksessa, jolloin se supistuu. Synapsien kautta tulevat signaalit-impulssit voivat estää tai tehostaa muiden välittämistä, ja siksi hermosolut suorittavat loogisia toimintoja ("ja", "tai"), jotka jossain määrin toimivat perustana N. Wienerille uskoa, että laskennalliset prosessit elävän organismin aivot ja tietokoneet noudattavat olennaisesti samaa kaavaa. Silloin informaatiolähestymistapa mahdollistaa eloton ja elävän luonnon kuvaamisen yhtenäisellä tavalla.

Itse kalvoon vaikuttavan signaalin prosessi koostuu sen korkean sähköisen vastuksen muuttamisesta, koska myös sen potentiaaliero on luokkaa 0,01 V. Resistanssin lasku johtaa sähkövirtapulssin kasvuun ja heräte välittyy. edelleen hermoimpulssin muodossa, mikä muuttaa tiettyjen ionien mahdollisuutta kulkea kalvon läpi. Siten kehossa olevaa tietoa voidaan välittää yhdistelmänä kemiallisten ja fysikaalisten mekanismien avulla, mikä varmistaa sen välittämis- ja käsittelykanavien luotettavuuden ja monimuotoisuuden elävässä järjestelmässä.

Elävän organismin normaalin hengitysprosessit, jotka tarvitsevat fotosynteesin tuloksena saatua happea O2, liittyvät läheisesti elävän organismin normaalin hengitysprosesseihin, kun solun mitokondrioihin muodostuu ATP-molekyylejä, jotka tarjoavat sille tarvittava energia. Myös näiden prosessien mekanismit perustuvat diffuusiolakeihin. Pohjimmiltaan nämä ovat materiaali- ja energiakomponentteja, joita tarvitaan elävälle organismille. Fotosynteesi on prosessi, jossa aurinkoenergiaa varastoidaan muodostamalla uusia sidoksia syntetisoitujen aineiden molekyyleihin. Fotosynteesin lähtöaineet ovat vesi H 2 O ja hiilidioksidi CO 2. Näistä yksinkertaisista epäorgaanisista yhdisteistä muodostuu monimutkaisempia, energiarikkaampia ravinteita. Molekyylihappi O2 muodostuu sivutuotteena, mutta meille erittäin tärkeänä. Esimerkkinä on reaktio, joka tapahtuu valokvanttien absorption ja kloroplastien sisältämän klorofyllipigmentin läsnäolon vuoksi.

Tuloksena on yksi molekyyli sokeria C 6 H 12 O 6 ja kuusi molekyyliä happi O 2 . Prosessi etenee vaiheittain, ensin fotolyysivaiheessa vetyä ja happea muodostuu pilkkomalla vettä, ja sitten vety, yhdistyen hiilidioksidiin, muodostaa hiilihydraatin - sokerin C 6 H 12 O 6. Pohjimmiltaan fotosynteesi on auringon säteilyenergian muuntamista esiin tulevien orgaanisten aineiden kemiallisten sidosten energiaksi. Näin ollen fotosynteesi, joka tuottaa happea O 2 valossa, on biologinen prosessi, joka tarjoaa eläville organismeille vapaata energiaa. Normaali hengitysprosessi aineenvaihduntaprosessina kehossa, joka liittyy hapen kulutukseen, on käänteinen fotosynteesiprosessille. Molemmat prosessit voivat seurata seuraavaa ketjua:

Aurinkoenergia (fotosynteesi)

ravintoaineet + (hengitys)

Kemiallisten sidosten energia.

Hengityksen lopputuotteet toimivat fotosynteesin lähtöaineina. Siten fotosynteesi- ja hengitysprosessit osallistuvat maapallon aineiden kiertoon. Osa auringon säteilystä imeytyy kasveihin ja joihinkin eliöihin, jotka, kuten jo tiedämme, ovat autotrofeja, ts. itse ruokkivat (ravinto heille on auringonvaloa). Fotosynteesiprosessin seurauksena autotrofit sitovat ilmakehän hiilidioksidia ja vettä muodostaen jopa 150 miljardia tonnia orgaanisia aineita, imevät jopa 300 miljardia tonnia hiilidioksidia ja vapauttavat noin 200 miljardia tonnia vapaata happea O 2 vuosittain.

Syntyviä orgaanisia aineita käyttävät ruokana ihmiset ja kasvinsyöjät, jotka puolestaan ​​ruokkivat muita heterotrofeja. Kasvien ja eläinten jäännökset hajoavat sitten yksinkertaisiksi epäorgaanisiksi aineiksi, jotka voivat jälleen osallistua CO 2:n ja H 2 O:n muodossa fotosynteesiin. Osa syntyvästä energiasta, mukaan lukien fossiilisten energiapolttoaineiden muodossa varastoituva energia, käytetään elävien organismien kulutukseen, kun taas osa hajoaa turhaan ympäristöön. Siksi fotosynteesiprosessi, koska se pystyy tarjoamaan sille tarvittavaa energiaa ja happea, on Maan biosfäärin tietyssä kehitysvaiheessa elävien asioiden evoluution katalysaattori.

Diffuusioprosessit ovat aineenvaihdunnan taustalla solussa, mikä tarkoittaa, että niiden avulla nämä prosessit suoritetaan elintasolla. Näin imeytymisprosessit tapahtuvat kasvien juurikarvassa, eläinten ja ihmisten suolistossa; kaasunvaihto kasvien suussa, ihmisten ja eläinten keuhkoissa ja kudoksissa, eritysprosessit.

Biologit ovat tutkineet solujen rakennetta ja tutkimusta yli 150 vuoden ajan alkaen Schleidenistä, Schwannista, Purimesta ja Virchow'sta, jotka vuonna 1855 perustivat solujen kasvumekanismin jakamalla ne. Todettiin, että jokainen organismi kehittyy yhdestä solusta, joka alkaa jakautua ja tämän seurauksena muodostuu monia soluja, jotka eroavat huomattavasti toisistaan. Mutta koska organismin kehitys alkoi alun perin ensimmäisen solun jakautumisesta, niin yhdessä elinkaaremme vaiheessa säilytämme yhtäläisyyksiä hyvin kaukaisen yksisoluisen esi-isän kanssa, ja voidaan nauraen sanoa, että olemme todennäköisemmin polveutuneita amebaa kuin apinasta.

Soluista muodostuu elimiä ja solujärjestelmä saa ominaisuuksia, joita sen alkuaineilla ei ole, ts. yksittäisiä soluja. Nämä erot johtuvat tietyn solun syntetisoimista proteiineista. On lihassoluja, hermosoluja, verisoluja (erytrosyytit), epiteelisoluja ja muita niiden toimivuudesta riippuen. Solujen erilaistuminen tapahtuu vähitellen organismin kehityksen aikana. Solujen jakautumisprosessissa, niiden elämässä ja kuolemassa, solujen jatkuva korvautuminen tapahtuu koko organismin elinkaaren ajan.

Yksikään kehomme molekyyli ei pysy muuttumattomana muutamaa viikkoa tai kuukautta pidempään. Tänä aikana molekyylit syntetisoidaan, täyttävät roolinsa solun elämässä, tuhoutuvat ja korvataan muilla, enemmän tai vähemmän identtisillä molekyyleillä. Hämmästyttävintä on, että elävät organismit kokonaisuutena ovat paljon vakioisempia kuin ne muodostavat molekyylit, ja solujen ja koko näistä soluista koostuvan kehon rakenne pysyy muuttumattomana tässä non-stop-kierrossa huolimatta solujen korvaamisesta. yksittäisiä komponentteja.

Lisäksi kyseessä ei ole auton yksittäisten osien korvaaminen, vaan, kuten S. Rose kuvaannollisesti vertaa, koria tiilirakennukseen, "josta hullu muurari ottaa jatkuvasti ulos tiilen toisensa jälkeen yötä päivää ja lisää uusia. heidän tilalleen. Samalla rakennuksen ulkonäkö pysyy ennallaan, mutta materiaalia vaihtuu jatkuvasti.” Synnymme joidenkin hermosolujen ja solujen kanssa ja kuolemme muiden kanssa. Esimerkkinä on lapsen ja vanhan ihmisen tietoisuus, ymmärrys ja käsitys. Kaikki solut sisältävät täydellisen geneettisen tiedon tietyn organismin kaikkien proteiinien rakentamiseksi. Perinnöllisen tiedon tallennus ja siirto tapahtuu solun ytimen avulla.

Johtopäätös: Plasmakalvon läpäisevyyden roolia solujen elämässä ei voida liioitella. Suurin osa prosesseista, jotka liittyvät solun energian tuottamiseen, tuotteiden saamiseen ja hajoamistuotteista poistamiseen, perustuvat diffuusiolakeihin tämän puoliläpäisevän elävän esteen läpi.

Osmoosi- pohjimmiltaan yksinkertainen veden diffuusio paikoista, joissa vesipitoisuus on korkeampi, paikkoihin, joissa vesipitoisuus on pienempi.

Passiivinen kuljetus– tämä on aineiden siirtoa paikoista, joissa on korkea sähkökemiallinen potentiaali, paikkoihin, joilla on alhaisempi arvo. Pienten vesiliukoisten molekyylien siirto tapahtuu erityisillä kuljetusproteiineilla. Nämä ovat erityisiä transmembraaniproteiineja, joista jokainen on vastuussa tiettyjen molekyylien tai toisiinsa liittyvien molekyylien ryhmien kuljettamisesta.

Usein on tarpeen varmistaa molekyylien kuljetus kalvon läpi niiden sähkökemiallista gradienttia vastaan. Tällaista prosessia kutsutaan aktiivinen kuljetus ja sen suorittavat kantajaproteiinit, joiden toiminta vaatii energiaa. Jos yhdistät kantajaproteiinin energialähteeseen, voit saada mekanismin, joka varmistaa aineiden aktiivisen kuljetuksen kalvon läpi.

II.6. Diffuusion soveltaminen.

Ihminen on käyttänyt diffuusioilmiöitä muinaisista ajoista lähtien. Tämä prosessi sisältää ruoanlaiton ja kodin lämmittämisen. Kohtaamme diffuusiota metallien lämpökäsittelyn aikana (hitsaus, juottaminen, leikkaus, pinnoitus jne.); ohuen metallikerroksen levittäminen metallituotteiden pinnalle osien ja laitteiden kemiallisen kestävyyden, lujuuden, kovuuden lisäämiseksi tai suoja- ja koristetarkoituksiin (galvanointi, kromaus, nikkelöinti).

Kotona ruoanlaitossa käyttämämme palava luonnonkaasu ei ole väriä eikä hajua. Siksi kaasuvuodon heti havaitseminen olisi vaikeaa. Ja kun on vuoto, kaasu leviää koko huoneeseen diffuusion vuoksi. Samaan aikaan tietyllä kaasun ja ilman suhteella suljetussa huoneessa muodostuu seos, joka voi räjähtää esimerkiksi sytytetystä tulitikkusta. Kaasu voi myös aiheuttaa myrkytyksen.

Jotta kaasun virtaus huoneeseen olisi havaittavissa, jakeluasemilla palava kaasu esisekoitetaan erikoisaineisiin, joilla on voimakas epämiellyttävä haju, jonka ihminen havaitsee helposti jopa erittäin pieninä pitoisuuksina. Tämän varotoimenpiteen avulla voit nopeasti havaita kaasun kerääntymisen huoneeseen, jos vuoto tapahtuu.

Nykyaikaisessa teollisuudessa käytetään tyhjiömuovausta, menetelmää tuotteiden valmistamiseksi kestomuovista. Vaaditun konfiguraation omaava tuote saadaan aikaan paine-erosta, joka johtuu tyhjiöstä muotin ontelossa, jonka päälle levy on kiinnitetty. Sitä käytetään mm. astioiden, jääkaapin osien ja instrumenttikoteloiden valmistuksessa. Tällä tavalla tapahtuvan diffuusion ansiosta on mahdollista hitsata jotain, jota on mahdotonta hitsata yksinään (metalli lasilla, lasi ja keramiikka, metallit ja keramiikka ja paljon muuta).

Uraanin eri isotooppien diffuusion vuoksi huokoisten kalvojen läpi käsitellään ydinreaktoreiden polttoainetta. Joskus ydinpolttoainetta kutsutaan ydinpolttoaineeksi.

Aineiden imeytyminen (resorptio) ihonalaiseen kudokseen, lihaksiin tai silmän, nenän tai korvakäytävän ihon limakalvoille joutuessaan tapahtuu pääasiassa diffuusion seurauksena. Tämä on perusta monien lääkeaineiden käytölle, ja lihaksiin imeytyminen tapahtuu nopeammin kuin ihossa.

Suosittu viisaus sanoo: "Leikkaa hiuksesi kun on kastetta." Kerro minulle, mitä tekemistä diffuusiolla ja aamuleikkauksella on sen kanssa? Selitys on hyvin yksinkertainen. Aamukasteen aikana ruohoissa on kohonnut turgoripaine, stomatat ovat auki ja varret ovat joustavia, mikä helpottaa niiden leikkaamista (suljetulla stomatalla leikattu ruoho kuivuu huonommin).

Puutarhaviljelyssä kasveja silmuttaessa ja vartettaessa kallus muodostuu osiin diffuusion vuoksi (latinan sanasta Callus - kallus) - haavakudosta virtauksen muodossa vauriokohtiin ja edistää niiden paranemista, varmistaa varren yhteensulautumisen perusrunko.

Kallusta käytetään eristettyyn kudosviljelmään (selvitys). Tämä on menetelmä ihmiskehosta, eläimistä ja kasveista eristettyjen solujen, kudosten, pienten elinten tai niiden osien pitkäaikaiseen säilöntään ja viljelyyn erityisissä ravintoväliaineissa. Perustuu menetelmiin kasvattaa mikro-organismiviljelmää, joka tarjoaa aseptisen, ravinnon, kaasunvaihdon ja aineenvaihduntatuotteiden poistamisen viljellyistä esineistä. Yksi kudosviljelymenetelmän eduista on kyky tarkkailla solujen elintärkeää toimintaa mikroskoopilla. Tätä varten kasvikudosta kasvatetaan ravintoalustalla, joka sisältää auksiineja ja sytokiniinejä. Kallus koostuu yleensä huonosti erilaistuneista, homogeenisista kasvainkudoksen soluista, mutta kun kasvuolosuhteet muuttuvat, erityisesti kasvihormonien pitoisuus ravinneväliaineessa, siinä on mahdollista floeemin, ksyleemin ja muiden kudosten muodostuminen sekä erilaisten elinten kehittyminen. ja koko kasvi.

II.7. Yksittäisten kokeiden suunnittelu.

Tieteellisen kirjallisuuden avulla yritin toistaa minua kiinnostavimpia kokeita. Kuvasin diffuusiomekanismia ja näiden kokeiden tuloksia esityksessä animaatiomallien muodossa.

KOKEMUS 1. Ota kaksi koeputkea: toinen puoli täynnä vettä, toinen puoli täynnä hiekkaa. Kaada vesi koeputkeen, jossa on hiekkaa. Veden ja hiekan seoksen tilavuus koeputkessa on pienempi kuin veden ja hiekan tilavuuksien summa.

KOKEMUS 2. Täytä pitkä lasiputki puoliväliin vedellä ja kaada sitten värillistä alkoholia päälle. Merkitse putken nesteiden yleinen taso kumirenkaalla. Veden ja alkoholin sekoittamisen jälkeen seoksen tilavuus pienenee.

(Kokeet 1 ja 2 osoittavat, että aineen hiukkasten välillä on rakoja; diffuusion aikana ne täyttyvät ainehiukkasilla - alien.)

KOKEMUS 3. Tuomme ammoniakilla kostutetun vanun kosketuksiin fenoliftaleiiniindikaattorilla kostutetun vanun kanssa. Tarkkailemme fleesien värjäytymistä karmiininpunaisena.

Nyt ammoniakilla kostutettu vanupuikko asetetaan lasiastian pohjalle ja kostutetaan fenolftaleiinilla. Kiinnitä se kanteen ja peitä lasiastia tällä kannella. Jonkin ajan kuluttua fenoliftaleiiniin kastettu vanu alkaa värjäytyä.

Vuorovaikutuksen seurauksena ammoniakin kanssa fenoliftaleiini muuttuu ruskeaksi, minkä havaitsimme, kun puuvilla joutui kosketuksiin. Mutta miksi sitten toisessa tapauksessa fenoliftaleiiniin kastettu puuvilla. Se on myös maalattu, koska nyt fleecejä ei saatettu kosketukseen? Vastaus: ainehiukkasten jatkuva kaoottinen liike.

KOKEMUS 4. Laske seinää pitkin korkean lieriömäisen astian sisällä alas kapea suodatinpaperikaistale, joka on kyllästetty tärkkelyspastan seoksella ja fenoliftaleiini-indikaattoriliuoksella. Aseta jodikiteet astian pohjalle. Sulje astia tiiviisti kannella, johon ripustetaan ammoniakkiliuokseen kostutettu puuvilla.

Jodin ja tärkkelyksen vuorovaikutuksesta johtuen sinivioletti väri nousee paperikaistaleesta. Samaan aikaan karmiininpunainen väri leviää alaspäin - todiste ammoniakkimolekyylien liikkeestä. Muutaman minuutin kuluttua paperin värillisten alueiden rajat kohtaavat, ja sitten sininen ja purppura värit sekoittuvat, eli diffuusio tapahtuu.[10]

KOKEMUS 5.(käytä se yhdessä) Ota kello, jossa on sekuntiosoitin, mittanauha, pullo wc-vettä ja seiso huoneen eri kulmissa. Yksi panee ajan merkille ja avaa pullon. Toinen panee merkille ajan, jolloin hän haistaa wc-veden. Mittaamalla kokeiden välisen etäisyyden löydämme diffuusionopeuden. Tarkkuuden vuoksi koe toistetaan 3–4 kertaa ja keskinopeuden arvo saadaan selville. Jos kokeilijoiden välinen etäisyys on 5 metriä, haju tuntuu 12 minuutin kuluttua. Eli diffuusionopeus on tässä tapauksessa 2,4 m/min.

KOKEMUS 6. PLASMAN VISKOSITEETIN MÄÄRITTÄMINEN PLASMOLYYSIMENETELMÄLLÄ (P.A. Genkelin mukaan).

Nopeus eteenpäin kupera plasmolyysi kasvisoluissa, kun niitä käsitellään hypertaanisella liuoksella, riippuu sytoplasman viskositeetista; mitä pienempi sytoplasman viskositeetti, sitä nopeammin kovera plasmolyysi muuttuu kuperaksi. Sytoplasman viskositeetti riippuu kolloidisten hiukkasten dispersioasteesta ja niiden hydraatiosta, solun vesipitoisuudesta, solujen iästä ja muista tekijöistä.

Edistyminen. Leikkaa orvaskesta ohut leikkaus aloe-lehdestä tai kuori orvaskesi pois pehmeistä sipulisuomuista. Valmistettuja leikkeitä värjätään kellolasissa 10 minuuttia neutraalipunaisessa liuoksessa, jonka pitoisuus on 1:5000. Sitten esineen osat asetetaan lasilevylle pienessä sakkaroosipisarassa ja peitetään yhdellä peitinlasilla. Mikroskoopin alla plasmolyysin tila todetaan. Ensinnäkin soluissa havaitaan kovera plasmolyysi. Tulevaisuudessa tämä muoto joko säilyy tai siirtyy nopeudella tai toisella kuperaan muotoon. On tärkeää huomata siirtymäaika koverasta kuperaan plasmolyysiin. Aika, jonka aikana kovera plasmolyysi muuttuu kuperaksi, on protoplasman viskositeettiasteen indikaattori. Mitä pidempi siirtymäaika kuperaan plasmolyysiin, sitä suurempi on plasman viskositeetti. Plasmolyysi sipulisoluissa alkaa nopeammin kuin aloen kuoressa. Tämä tarkoittaa, että aloesolujen sytoplasma on viskoosimpi.

KOKEMUS 7. PLASMOLYYSI. DEPLASMOLYYSI. AINEIDEN PUTKISTUMINEN Tyhjiöön [2]

Jotkut orgaaniset aineet tunkeutuvat melko nopeasti tyhjiöön. Soluissa, kun niitä pidetään tällaisten aineiden liuoksissa, plasmolyysi häviää suhteellisen nopeasti ja tapahtuu deplasmolyysi.

Deplasmolyysi tarkoittaa turgorin palauttamista soluihin(eli plasmolyysin vastainen ilmiö).

Edistyminen. Maalattujen sipulisuomujen ylemmän orvaskeden leikkeet (kovera puoli) asetetaan 1 M kasveille tarkoitetun urea- tai glyseriinilannoitteen liuokseen suoraan lasilevylle peitettynä. 15-30 minuutin kuluttua esineitä tutkitaan mikroskoopilla. Plasmolysoituneet solut ovat selvästi näkyvissä. Jätä osat tippaliuokseen vielä 30-40 minuutiksi. Sitten taas niitä tutkitaan mikroskoopilla ja havaitaan deplasmolyysi - turgorin palautuminen.

Johtopäätös : Kasvit eivät voi tarkasti kontrolloida soluihin tulevien ja soluista poistuvien kemikaalien määrää.

III. Johtopäätös.

Diffuusiolait säätelevät alkuaineiden fyysisiä ja kemiallisia liikkeitä maan sisällä ja maailmankaikkeudessa sekä elävien organismien solujen ja kudosten elintärkeitä prosesseja. Diffuusio on tärkeässä roolissa tieteen ja tekniikan eri aloilla, elävässä ja elottomassa luonnossa tapahtuvissa prosesseissa. Diffuusio vaikuttaa monien kemiallisten reaktioiden kulumiseen sekä moniin fysikaalis-kemiallisiin prosesseihin ja ilmiöihin: kalvo, haihtuminen, kondensaatio, kiteytyminen, liukeneminen, turpoaminen, palaminen, katalyyttinen, kromatografinen, luminoiva, sähköinen ja optinen puolijohteissa, neutronien hidastuminen ydinreaktoreissa jne. . Diffuusiolla on suuri merkitys kaksoissähkökerroksen muodostuksessa vaiherajoilla, diffuusiossa ja elektroforeesissa, valokuvausprosesseissa nopean kuvan saamiseksi jne. Diffuusio toimii perustana monille yleisille teknisille toimenpiteille: jauheiden sintraus, kemiallinen-lämpökäsittely metallien, materiaalien metallointi ja hitsaus, nahan ja turkisten parkitus, kuitujen värjäys, kaasujen siirtäminen diffuusiopumpuilla. Diffuusion rooli on kasvanut merkittävästi, koska tekniikan alojen (ydinenergia, astronautiikka, säteily- ja plasmakemialliset prosessit jne.) kehittämiseen on tarpeen luoda materiaaleja, joilla on ennalta määrätyt ominaisuudet. Diffuusiota säätelevien lakien tuntemus mahdollistaa tuotteiden ei-toivottujen muutosten estämisen, jotka tapahtuvat korkeiden kuormien ja lämpötilojen, säteilyn ja monen muun vaikutuksen alaisena...

Millainen maailma olisi ilman diffuusiota? Pysäytä hiukkasten lämpöliike - ja kaikki ympärillä kuolee!

Tein työssäni yhteenvedon abstraktin aiheesta kerätystä materiaalista ja valmistelin sen puolustamiseksi Power Point -editorissa tehdyn esityksen. Tämä esitys voi mielestäni monipuolistaa oppituntimateriaalia tästä aiheesta. Jotkut kirjallisuudessa kuvatuista kokeista toistettiin ja muokkain niitä hieman. Mielenkiintoisimmat esimerkit diffuusiosta on esitetty esitysdioilla animoituina malleina.

IV. Käytetyt kirjat:

1. Antonov V.F., Chernysh A.M., Pasechnik V.I., et ai., Biophysics.

M., Arktos-Vika-press, 1996

2. Afanasjev Yu.I., Jurina N.A., Kotovsky E.F. ja muut Histologia.

M. Medicine, 1999.

3. Alberts B., Bray D., Lewis J. et ai. Molecular biology of the cell.

3 osassa. Osa 1. M., Mir, 1994.

4. Suuri Kyrilloksen ja Metodiuksen tietosanakirja 2006

5. Varikash V.M. ja muut Fysiikka elävässä luonnossa. Minsk, 1984.

6. Demyankov E.N. Ongelmia biologiassa. M. Vlados, 2004.

7. Nikolaev N.I. Diffuusio kalvoissa. M. Chemistry, 1980, s. 76

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

9. Fyysinen tietosanakirja, M., 1983, s. 174-175, 652, 754

10. Shablovsky V. Viihdyttävä fysiikka. Pietari, "trigon" 1997, s. 416

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

12.xttp//markiv. narod.ru./

13. "http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%94%D0%B8%D1%84%D1%84%D1%83%D0%B7%D0%B8%D1%8F" Luokat: Ilmiöitä atomitasolla | Termodynaamiset ilmiöt | Siirtoilmiöt | Diffuusio

Johdanto
1. Diffuusiokäsite ja -mallit
1.1 Diffuusioprosessien käsite………………………………………………………….. 5
1.2 Diffuusiomallit…………………………………………6
2. Diffuusioprosessien käyttö
2.1 Diffuusio metallinkäsittelyssä ………………………………………………………8
2.2 Plasmolyysi……………………………………………………………………… 11
2.3 Osmoosi……………………………………………………………………………………11
3. Diffuusion soveltaminen tuotannossa……………………… 13
4. Diffuusion soveltaminen lääketieteessä. "Keinomunuainen" laite…..15
5. Diffuusion soveltaminen teknologiassa………………………………………………16
Johtopäätös
Luettelo käytetystä kirjallisuudesta

Johdanto

Kurssityöni aiheena on "Diffuusioprosessit ja niiden käyttö tekniikassa."

Diffuusio on luonnon perusilmiö. Se on aineen ja energian muutosten taustalla. Sen ilmenemismuotoja tapahtuu kaikilla planeettamme luonnollisten järjestelmien organisoitumistasoilla alkaen alkuainehiukkasten, atomien ja molekyylien tasosta ja päättyen geosfääriin. Sitä käytetään laajalti tekniikassa ja jokapäiväisessä elämässä.
Diffuusion ydin on väliaineen hiukkasten liikkuminen, mikä johtaa aineiden siirtymiseen ja pitoisuuksien tasaamiseen tai tietyn tyyppisten hiukkasten tasapainojakauman muodostumiseen väliaineessa. Molekyylien ja atomien diffuusio niiden lämpöliikkeen vuoksi. .
Diffuusioprosessi on yksi termodynamiikan toisen lain ilmentymismekanismeista, jonka mukaan mikä tahansa järjestelmä pyrkii siirtymään tasapainoisempaan tilaan, eli stabiiliin tilaan, jolle on ominaista entropian kasvu ja energian minimi.
Diffuusio on yksi tärkeimmistä teknologisista prosesseista kaikenlaisten elektronisten laitteiden ja mikropiirien valmistuksessa.

Diffuusio on perustavanlaatuinen prosessi, joka on elävien järjestelmien toiminnan taustalla millä tahansa organisaatiotasolla alkuainehiukkasten tasolta (elektronidiffuusio) biosfääritasolle (aineiden kierto biosfäärissä).

Diffuusioilmiöä käytetään laajasti käytännössä. Arjessa - teen hauduttaminen, vihannesten purkiminen, hillojen valmistus. Tuotannossa - hiiletys (...teräsosien kovuuden ja lämmönkestävyyden lisäämiseksi), aluminointi- ja hapetusprosessit.

Tämän kurssityön tarkoituksena on tutustua diffuusion ja diffuusioprosessien käsitteeseen, analysoida sen käyttöä tuotannossa, tekniikassa ja lääketieteessä. Aiheen erityispiirteet ja esiin tuotujen kysymysten kirjo huomioon ottaen työn rakenne mahdollistaa johdonmukaisen vastauksen ensimmäisessä osassa esitettyihin teoreettisiin kysymyksiin ja toisessa osassa diffuusioprosessien käytännön käytön oppimisen.

1. Diffuusiokäsite ja -mallit

1.1 Diffuusioprosessien käsite

Prosessia, jossa yhden aineen hiukkaset (molekyylit, atomit, ionit) tunkeutuvat toisen aineen hiukkasten väliin kaoottisen liikkeen vuoksi, kutsutaan diffuusioksi. Siten diffuusio on seurausta aineen kaikkien hiukkasten kaoottisesta liikkeestä, mistä tahansa mekaanisesta toiminnasta.

Koska hiukkaset liikkuvat kaasuissa, nesteissä ja kiinteissä aineissa, diffuusio on mahdollista näissä aineissa. Diffuusio on aineen siirtymistä, joka aiheutuu erityyppisten atomien tai molekyylien epätasaisen pitoisuuden spontaanista tasaantumisesta. Jos astiaan syötetään osia eri kaasuista, niin jonkin ajan kuluttua kaikki kaasut sekoittuvat tasaisesti: kunkin tyypin molekyylien määrä astian tilavuusyksikköä kohti muuttuu vakioksi, pitoisuus tasoittuu (kuva 1)

Diffuusio selitetään seuraavasti. Ensinnäkin kahden väliaineen välinen rajapinta on selvästi näkyvissä kahden kappaleen välillä (kuvio la). Sitten rajan lähellä sijaitsevat yksittäiset ainehiukkaset vaihtavat paikkoja liikkumisensa vuoksi. Aineiden välinen raja hämärtyy (kuva 1b). Tuntuessaan toisen aineen hiukkasten väliin ensimmäisen hiukkaset alkavat vaihtaa paikkoja toisen hiukkasten kanssa, jotka sijaitsevat yhä syvemmissä kerroksissa. Aineiden välinen rajapinta hämärtyy entisestään. Hiukkasten jatkuvan ja satunnaisen liikkeen vuoksi tämä prosessi johtaa lopulta siihen, että astiassa oleva liuos muuttuu homogeeniseksi (kuva 1c).

Kuva 1. Diffuusioilmiön selitys.

Kaasuun tai nesteeseen suspendoituneiden suurten hiukkasten (esimerkiksi savu- tai suspensiohiukkasten) diffuusio tapahtuu niiden Brownin liikkeen vuoksi. Seuraavassa, ellei erikseen mainita, tarkoitetaan molekyylidiffuusiota.

Diffuusiolla on tärkeä rooli kemiallisessa kinetiikassa ja teknologiassa. Kun katalyytin tai jonkin reagoivan aineen pinnalla tapahtuu kemiallinen reaktio (esimerkiksi hiilen palaminen), diffuusio voi määrittää muiden lähtöaineiden syöttönopeuden ja reaktiotuotteiden poistumisen, eli olla määräävä (rajoittava) prosessi. Haihtumisen ja kondensaation, kiteiden liukenemisen ja kiteytymisen kannalta diffuusio on yleensä ratkaiseva. Kaasujen diffuusioprosessia huokoisten väliseinien läpi tai höyryvirtaan käytetään isotooppien erottamiseen. Diffuusio on lukuisten teknisten prosessien taustalla - adsorptio, hiiletys jne. Diffuusiohitsausta ja diffuusiometallointia käytetään laajalti.

Nestemäisissä liuoksissa liuotinmolekyylien diffuusio puoliläpäisevien väliseinien (kalvojen) läpi johtaa osmoottisen paineen ilmaantumiseen, jota käytetään aineiden fysikaalis-kemiallisessa erotusmenetelmässä.

1.2 Diffuusiomallit

Konsentraatioero on diffuusion liikkeellepaneva voima. Jos pitoisuus on sama kaikkialla, aineen diffuusia siirtymistä ei tapahdu. Pitoisuuden tasaaminen diffuusion seurauksena tapahtuu vain ulkoisten voimien puuttuessa. Jos pitoisuusero esiintyy lämpötilaeron mukana, sähkökentässä tai olosuhteissa, joissa painovoima on merkittävä (suurella korkeuserolla), pitoisuuden tasoitus ei ole tarpeen. Esimerkki on ilman tiheyden väheneminen korkeuden myötä.

Käännytään kokemukseen. Kahdessa lasissa on vettä, mutta toinen on kylmää ja toinen kuumaa. Laita teepussit lasiin samaan aikaan. On helppo huomata, että kuumassa vedessä tee värjää vettä nopeammin ja diffuusio etenee nopeammin. Diffuusionopeus kasvaa lämpötilan noustessa, kun vuorovaikutuksessa olevien kappaleiden molekyylit alkavat liikkua nopeammin.

Diffuusio tapahtuu nopeimmin kaasuissa, hitaammin nesteissä ja vielä hitaammin kiinteissä aineissa, mikä johtuu hiukkasten lämpöliikkeen luonteesta näissä väliaineissa. Jokaisen kaasuhiukkasen liikerata on katkoviiva, koska Törmäysten aikana hiukkaset muuttavat liikkeensä suuntaa ja nopeutta. Liikehäiriö johtaa siihen, että jokainen hiukkanen siirtyy vähitellen pois paikasta, jossa se oli, ja sen siirtymä suoraa linjaa pitkin on paljon pienempi kuin katkoviivaa pitkin kuljettu polku. Siksi diffuusion tunkeutuminen on paljon hitaampaa kuin vapaa liike (esimerkiksi hajujen diffuusionopeus on paljon pienempi kuin molekyylien nopeus). Nesteissä molekyylien lämpöliikkeen luonteen mukaisesti diffuusio suoritetaan molekyylien hyppyillä tilapäisestä tasapainoasennosta toiseen. Jokainen hyppy tapahtuu, kun molekyylille annetaan riittävästi energiaa katkaistakseen sidokset naapurimolekyylien kanssa ja siirtymään muiden molekyylien ympäristöön (uuteen energeettisesti suotuisaan asemaan). Keskimäärin hyppy ei ylitä molekyylien välistä etäisyyttä. Hiukkasten diffuusioliikettä nesteessä voidaan pitää liikkeenä kitkan kanssa. Diffuusiokerroin nesteessä kasvaa lämpötilan myötä, mikä johtuu nesteen rakenteen "löystymisestä" kuumennettaessa ja vastaavasta hyppyjen määrän kasvusta aikayksikköä kohti.

Kiinteässä tilassa voi toimia useita mekanismeja: atomien paikkojen vaihto tyhjien paikkojen kanssa (kidehilan vapaat paikat), atomien liikkuminen rakoja pitkin, useiden atomien samanaikainen syklinen liike, kahden vierekkäisen atomin paikkojen suora vaihto jne. Ensimmäinen mekanismi vallitsee esimerkiksi korvaavien kiinteiden liuosten muodostumisessa, toinen - interstitiaalisten kiinteiden liuosten muodostumisessa. Vikojen (pääasiassa tyhjien työpaikkojen) määrän kasvu helpottaa atomien liikkumista kiinteässä aineessa, diffuusiota ja johtaa diffuusiokertoimen kasvuun. Kiinteiden aineiden diffuusiokertoimelle on ominaista terävä (eksponentiaalinen) riippuvuus lämpötilasta. Siten sinkin kupariksi diffuusiokerroin kasvaa 1014 kertaa lämpötilan noustessa 20 °C:sta 300 °C:seen.

Kaikki diffuusiokertoimen kokeelliset menetelmät sisältävät kaksi pääkohtaa: diffuusioivien aineiden saattaminen kosketukseen ja diffuusiota muuttavien aineiden koostumuksen analysointi. Koostumus (diffundoituneen aineen pitoisuus) määritetään kemiallisesti, optisesti (muutosten taitekertoimessa tai valon absorptiossa), massaspektroskooppisesti, leimattujen atomien menetelmällä jne.

2. Diffuusioprosessien käyttö

2.1 Diffuusio metallinkäsittelyssä

Diffuusiometallointi on prosessi, jossa tuotteiden pinta diffuusiokyllästetään metalleilla tai metalloideilla. Diffuusiokyllästys suoritetaan jauheseoksessa, kaasumaisessa ympäristössä tai sulassa metallissa (jos metallilla on alhainen sulamispiste).

Boridointi - metallien ja metalliseosten pinnan diffuusiokyllästys boorilla kovuuden, korroosionkestävyyden ja kulutuskestävyyden lisäämiseksi suoritetaan elektrolyysillä sulassa boorisuolassa. Boridointi tarjoaa erityisen korkean pinnan kovuuden, kulutuskestävyyden sekä lisää korroosionkestävyyttä ja lämmönkestävyyttä. Boratuilla teräksillä on korkea korroosionkestävyys kloorivety-, rikki- ja fosforihapon vesiliuoksissa. Boridointia käytetään valurauta- ja teräsosiin, jotka toimivat kitka-olosuhteissa aggressiivisessa ympäristössä (kemiantekniikassa).

Aluminointi on prosessi, jossa pintakerros diffuusiokyllästetään alumiinilla, joka suoritetaan jauhemaisissa alumiiniseoksissa tai sulassa alumiinissa. Tavoitteena on saavuttaa teräsosien pinnan korkea lämmönkestävyys. Aluminointi suoritetaan kiinteässä ja nestemäisessä väliaineessa.

Silikonointi – diffuusiokyllästys piillä suoritetaan kaasuilmakehässä. Teräsosan piikyllästetyllä kerroksella ei ole kovin korkea kovuus, mutta korkea korroosionkestävyys ja lisääntynyt kulutuskestävyys merivedessä, typpi-, suola- ja rikkihapoissa. Silikonoituja osia käytetään kemian-, massa- ja paperi- ja öljyteollisuudessa. Lämmönkestävyyden lisäämiseksi silikonisointia käytetään tuotteissa, jotka on valmistettu molybdeeni- ja volframipohjaisista seoksista, joilla on korkea lämmönkestävyys.

Metallien diffuusioprosesseilla on merkittävä rooli. Jos kaksi metallia saatetaan läheiseen kosketukseen sulatussäteen avulla tai puristamalla toisen metallin jauhetta toiseen ja altistetaan riittävän korkeille lämpötiloille, kumpikin metalli diffundoituu toiseen. Jos jokin metalleista on nestemäistä, se diffundoituu samanaikaisesti kiinteään aineeseen ja liuottaa sen.

Jos aloitamme puhtaista metalleista, niin välikerrokseen muodostuu kokonainen sarja molempien metallien faaseja, yleensä erillään rajafaasien seoksesta. Konsentraatioero yksittäisissä kerroksissa on hyvin erilainen; diffuusionopeus on siksi erittäin riippuvainen hilarakenteesta. Kun kyseessä on jatkuva sarja kiinteitä liuoksia, diffuusionopeus riippuu yhtä lailla bulkin koostumuksesta; Siten kuparin diffuusio korkean sulamispisteen nikkeliksi on paljon hitaampaa kuin nikkelin diffuusio kupariksi. Muut metallit diffundoituvat samaan metalliin, kuten Hevezin ja Septsin kokeet lyijyllä osoittivat, mitä suuremmalla nopeudella ne ovat ryhmissään jaksollisessa järjestelmässä toisistaan ​​(mitä kauempana ne ovat valenssissaan). Lyijyn radioaktiivisen isotoopin avulla voidaan myös todeta, että homogeeniset atomit vaihtavat paikkoja erityisen hitaasti. Tämä autodiffuusio osoittaa selvästi metalliatomien liikkeen korkeissa lämpötiloissa, mikä on myös perusta kiteytymiselle ja kiteiden kasvulle.