Диффузией называется самопроизвольный процесс перемещения вещества в растворе, приводящий к выравниванию его концентрации.
В ходе диффузии некоторая первоначальная упорядоченность в распределении вещества (высокая концентрация вещества в одной части системы и низкая – в другой) сменяется полной беспорядоченностью распределения вещества в объеме, при этом энтропия системы возрастает. Когда концентрация раствора во всем объеме выравнивается, энтропия достигает максимального значения, и диффузия прекращается. Скорость диффузии при постоянных температуре и вязкости среды зависит от величины и формы растворяющихся частиц.
Диффузия наблюдается как в жидкостях и газах, так и в твердых веществах. Мерой диффузии является масса вещества , продиффундировавшего за единицу времени через единицу площади поверхности соприкасающихся веществ. Величина тем больше, чем больше изменяется концентрация на единицу длины вдоль направления, в котором происходит диффузия. Скорость диффузии увеличивается с ростом температуры, что связано с увеличением скорости движения частиц.
При гетерогенном катализе химическая реакция протекает на поверхности твердого тела, поэтому процессы транспорта веществ к поверхности и от нее играют важную роль. Если химическое превращение идет гораздо медленнее процессов массообмена, то кинетика реакции определяется процессами на поверхности твердого тела. Если реакция очень быстрая, то кинетика зависит от процессов массообмена.
Рассмотрим диффузию вещества из объема на поверхность реагирующих веществ или на поверхность катализатора, если таковой имеется. Пусть превращение вещества – реакция первого порядка со скоростью, равной
где ω хим – количество вещества, реагирующего у поверхности S в единицу времени, С п – концентрация реагента у поверхности.
В результате превращения С п становится меньше концентрации вещества в объеме раствора С об.
Всю реагирующую смесь можно разделить на две области:
1. область постоянной концентрации вдали от поверхности реакции;
2. область быстрого изменения концентрации непосредственно вблизи этой поверхности.
Экспериментально установлено, что на всех твердых поверхностях, с которыми граничит движущаяся жидкость, скорость движения жидкости равна нулю. Транспорт вещества происходит через неподвижный слой жидкости, прилегающий к поверхности твердого тела, в результате диффузии реагирующих веществ. Этот неподвижный слой называется слоем Нернста, его толщина зависит от свойств растворителя и растворенного вещества, скорости перемещения и т.д. Например, для жидкости толщина этого слоя δ составляет примерно 0.02 – 0.05 мм и меньше. За его пределами движение жидкости приводит к выравниванию концентрации в объеме раствора. Перенос массы в результате диффузии описывается уравнением Фика:
где dn/dt – количество вещества, диффундирующего за единицу времени через фиксированную поверхность S в сторону возрастающих значений x; x – направление диффузии; D – коэффициент диффузии; знак «-» означает, что поток вещества идет в направлении убыли концентрации, поэтому для всегда .
Существует и другая запись уравнения диффузии при Т = Const:
Градиент концентрации (gradC) в диффузионном слое постоянен, поэтому выражение (47) можно записать следующим образом:
Когда в установившемся стационарном режиме скорость подвода вещества к реагирующей поверхности равна скорости химической реакции, поверхностную концентрацию можно представить как:
при w y = w x и
Для быстрой реакции, когда k>>D/d скорость процесса определяется диффузией. В случае медленной реакции, когда k< Интенсивное перемешивание раствора снижает толщину диффузионного слоя, что приводит к увеличению константы скорости диффузии. Так как константа скорости химической реакции в большей степени зависит от температуры, нежели коэффициент диффузии, то при низкой температуре процесс лимитируется скоростью химической реакции. Моделирование гетерогенно-каталитических реакций
. Обычно гетерогенно-каталитические процессы протекают в жидкой, газовой или паровой фазе при участии твердого катализатора. В случае газовой гетерогенно-каталитической реакции исходные реагенты и продукты реакции являются газами. При их участии в реакции каждая молекула реагента последовательно проходит следующие стадии процесса: Диффузионный перенос из газовой среды к поверхности катализатора; Адсорбцию на его поверхности; Химическое превращение в адсорбированном слое; Десорбцию продуктов реакции; Диффузионный перенос продуктов реакции от поверхности катализатора в газовую фазу. На скорость гетерогенно-каталитической реакции большое влияние оказывает площадь активной поверхности твердого катализатора. Для ее увеличения катализаторы обычно выполняют в виде зерен с сильно развитой поверхностью. При этом кажущаяся поверхность зерен ничтожна по сравнению с поверхностью внутренних пор и каналов в зерне. Значения длины и диаметра внутренних каналов и пор должны исключать сильное торможение диффузионно-транспортных стадий процесса. Наиболее выгоден режим, при котором лимитирующей стадией процесса является собственно химическое превращение. В этом случае говорят, что процесс идет в кинетической области, однако, не всегда удается устранить диффузионное торможение. Обычно скорость химической реакции определяется по уравнению (47). Если гетерогенная каталитическая реакция является многокомпонентной, кинетическая формула может оказаться достаточно громоздкой. Рассмотрим кинетические уравнения, выведенные из предположения об ограниченной активности поверхности катализатора. Предполагается, что химическое превращение может происходить только на участках молекул, попавших за счет адсорбции на активный центр катализатора. Сорбцией называется любой процесс поглощения одного вещества другим независимо от механизма поглощения. В зависимости от механизма сорбции различают: - адсорбцию
– изменение концентрации вещества на границе раздела фаз. Адсорбция происходит на любых межфазовых поверхностях, и адсорбироваться могут любые вещества. Адсорбционное равновесие, т.е. равновесное распределение вещества между пограничным слоем и граничащими фазами, является динамическим равновесием и быстро устанавливается. Адсорбция с повышением температуры уменьшается; - абсорбцию
– поглощение одного вещества другим происходит во всем объеме сорбента (например, растворение газа в жидкостях); - хемосорбцию
– поглощение одного вещества другим сопровождается химическими реакциями; - капиллярную конденсацию
– происходящую вследствие того, что давление паров над вогнутым мениском жидкости в смачиваемых ею узких капиллярах меньше давления насыщенного пара над плоской поверхностью жидкости при той же температуре. Положительная адсорбция, приводящая к повышению концентрации вещества в пограничном слое, возможна только при уменьшении величины поверхностного натяжения, т.е. все самопроизвольные процессы на границе раздела фаз происходят в направлениях уменьшения свободной поверхностной энергии. Статическая сорбция наблюдается в том случае, когда поглощаемое вещество контактирует с неподвижным сорбентом. Статическая активность сорбента характеризуется количеством поглощаемого вещества на единицу массы сорбента в определенных условиях. Динамическая сорбция наблюдается при фильтрации поглощаемого вещества через слой сорбента. В случае гетерогенно-каталитических реакций считается, что число активных центров на единицу поверхности катализатора ограниченно. Кроме того, для упрощения считается, что каждый активный центр может удержать лишь определенное количество молекул или атомов реагирующего вещества (чаще всего одну). При таких предположениях скорость химического превращения оказывается пропорциональной концентрациям реагирующих веществ, адсорбированным на поверхности катализатора, т.е. поверхностным концентрациям. Для описания зависимости поверхностной концентрации некоторого вещества от его концентрации в объеме окружающего газа используется уравнение изотермы адсорбции Ленгмюра. Для упрощения принимают условия равновесия адсорбции и десорбции. Скорость адсорбции r a (или u адс) некоторого компонента можно принять пропорциональной его давлению Р и концентрации свободных активных центров, определяемой как разность между полной концентрацией активных центров С а и концентрацией занятых центров С: Скорость десорбции r д (u дес) пропорциональна концентрации занятых активных центров С: Предполагая равновесие между адсорбцией и десорбцией, т.е. приняв r а = r д (u адс = u дес) получим: Следовательно, концентрация занятых активных центров равна: введем замену -константа равновесия адсорбции (56) В случае равенства k а = k дес K=1, тогда получим: На рис.3 приведен пример изотермы адсорбции. Адсорбция газов и паров на поверхности твердых тел также происходит в результате уменьшения свободной поверхностной энергии. На практике об адсорбции судят по количеству адсорбированного вещества, которое тем больше, чем больше поверхностный слой адсорбента, соответственно. Поэтому, для осуществления адсорбционных процессов необходимо использовать адсорбенты с высокоразвитой поверхностью. Важнейшими пористыми сорбентами являются активированный уголь и селикагель. Рис. 3 Изотерма адсорбции. Г – поверхностный избыток а – чистый компонент б – ненасыщенный мономолекулярный (в одну молекулу толщиной слой) в – насыщенный мономолекулярный слой Повышение температуры и понижение давления приводят к десорбции газов и паров. Вследствие этого сорбционные методы широкого использования в промышленности для извлечения различных веществ из воздушной среды и для разделения газов и паров. Адсорбция растворенных веществ из растворов на твердых сорбентах всегда в большей или меньшей степени включает в себя адсорбцию растворителя. Изотермы адсорбции из растворов имеют вид, аналогичный изотермам адсорбции из газовой фазы. В практике моделирования гетерогенно-каталитческих процессов вместо поверхностных концентраций активных центров используют относительные концентрации , называемые обычно степенью заполнения активных центров. Уравнение (57) можно переписать, заменив в нем концентрации на степень заполнения активных центров: Если процесс адсорбции сопровождается обратимой диссоциацией на n частиц, то скорости адсорбции и десорбции являются функциями n-степени от соответствующих концентраций: Þ , тогда Если газовая фаза содержит несколько компонентов, адсорбируемых поверхностью катализатора, необходимо вычислить степень заполнения поверхности каждым компонентом. Необходимо учесть, что концентрация свободных мест определяется разностью между полной концентрацией активных центров и суммой центров, занятых всеми компонентами. Например, для двухкомпонентной системы: В случае диссоциации компонента А на две частицы получаем: Если в газовой среде присутствует инертный компонент, не участвующий в химической реакции, но адсорбируемый поверхностью, в знаменатель выражений (59-63) соответствующее слагаемое, например: Так как скорость химического превращения пропорциональна поверхностным концентрациям реагирующих компонентов, т.е. К примеру, для реакции типа А + В ® М при отсутствии диссоциации реагентов и без участия инертного компонента получается следующее выражение для скорости химического превращения: Степень в знаменателе выражения (66) равна количеству компонентов химической системы. Если адсорбционные свойства компонентов реакции значительно разнятся, то вид уравнения Ленгмюра изменится. Пусть имеется реакция вида А ® Р, тогда
« 1 и
Надо добавить, что при моделировании в неизотермических условиях необходимо учитывать зависимость коэффициентов адсорбции и константы скорости от температуры. Что значительно усложняет модель. Как видно, моделирование гетерогенных каталитических реакций – более сложный процесс по сравнению с моделированием гомогенных реакций, что связано с сильной нелинейностью получаемых уравнений. Скорость диффузии Диффузия относится к наиболее простым явлениям, которые изучаются в рамках курса физики. Этот процесс можно представить на бытовом ежедневном уровне. Диффузия представляет собой физический процесс взаимного проникновения атомов и молекул одного вещества между такими же структурными элементами другого вещества. Итогом этого процесса становится выравнивание уровня концентрации в проникающих соединениях. Диффузию или смешивание можно видеть каждое утро на собственной кухне, когда происходит приготовление чая, кофе или иных напитков, в состав которых входит несколько основных компонентов. Подобный процесс первый раз смог научно описать Адольф Фик в середине 19 века. Он дал ему оригинальное название, которое переводится с латинского языка как взаимодействие или распространение. Скорость диффузии зависит от нескольких факторов: В различных газах, где существуют очень большие расстояние между молекулами, скорость диффузии будет самой большой. В жидкостях, где расстояние между молекулами заметно меньше, скорость также уменьшает свои показатели. Самая маленькая скорость диффузии отмечается в твердых телах, поскольку в молекулярных связях наблюдается строгий порядок. Атомы и молекулы сами совершают незначительные колебательные движения на одном месте. Скорость протекания диффузии увеличивается при росте окружающей температуры. Замечание 1
Скорость диффузии принято измерять количеством вещества, которое переносится за единицу времени. Все взаимодействия должны осуществляться через площадь поперечного сечения раствора. Основной формулой скорости диффузии является: $\frac{dm}{dt}=-DC\frac{dC}{dx}$, где: Такую формулу представил в виде математического описания Фик. Согласно ей, скорость диффузии прямо пропорциональна градиенту концентрации и площади, через которую осуществляется процесс диффузии. Коэффициент пропорциональности определяет диффузию вещества. Известный физик Альберт Эйнштейн вывел уравнения для коэффициента диффузии: $D=RT/NA \cdot 1/6\pi\etaŋr$, где: Из этих уравнений следует, что скорость диффузии будет возрастать: Скорость диффузии уменьшается: Если молярная масса увеличивается, тогда коэффициент диффузии уменьшается. В этом случае скорость диффузии также уменьшается. Существуют различные условия, которые способствуют ускорению протекания диффузии. Быстрота диффузии зависит от агрегатного состояния исследуемого вещества. Большая плотность материала замедляет химическую реакцию. На скорость взаимодействия молекул влияет температурный режим. Количественной характеристикой скорости диффузии является коэффициент. В системе измерений СИ его обозначают в виде латинской большой буквы D. Он измеряется в квадратных сантиметрах или метрах на секунду времени. Определение 1
Коэффициент диффузии равняется количеству вещества, которое распределяется среди другого вещества через определенную единицу поверхности. Взаимодействие должно осуществляться на протяжении единицы времени. Для эффектного решения задачи необходимо добиться условия, когда разность плотностей на обеих поверхностях будет равна единице. Также на скорость диффузии в твердых телах, жидкости в газах влияет давление и излучение. Излучение может быть разных видов, в том числе индукционное, а также высокочастотное. Диффузия начинается при воздействии определенного вещества-катализатора. Они часто выступают в роли пускового механизма для возникновения стабильного процесса рассеивания частиц. При помощи уравнения Аррениуса описывают зависимость коэффициента от температуры. Оно выглядит следующим образом: $D = D0exp(-E/TR)$, где: Формула позволяет больше понять о характерных чертах всего процесса диффузии и определяет скорость реакции. Сегодня практически нельзя применить обычные методы для определения молекулярного веса белков. Они обычно основаны на измерении: Для эффективного решения задачи применяются специальные методы, которые разработаны для исследования веществ с высокой молекулярной структурой. Они предполагают определение скорости диффузии или вязкости растворов. Метод определения ориентации и формы пор по скорости диффузии основан на исследовании скоростей диализа. В мембране должна происходить в этот момент свободная диффузия. Также для определения скорости диффузии натрия могут применяться различные радиоизотопы. Такой специальный метод применяется для решения поставленных задач в сфере минералогии и геологии. Активно применяется метод диффузии, который основан на определении диффузии макромолекул в растворе. Он был разработан для полимерных материалов. Согласно методу, идет определение коэффициента диффузии, а затем по этим данным узнают среднемассовую молекулярную массу. В настоящее время отсутствуют прямые методы определения скорости диффузии водорода в катализаторе. Для этого используется так называемый второй путь активации. Для определения скорости принято использовать специальные приборы. Они отличаются по виду от поставленных практических и научных задач. Диффузия
Примером диффузии может служить перемешивание газов (например, распространение запахов) или жидкостей (если в воду капнуть чернил, то жидкость через некоторое время станет равномерно окрашенной). Другой пример связан с твёрдым телом: атомы соприкасающихся металлов перемешиваются на границе соприкосновения. Важную роль диффузия частиц играет в физике плазмы . Обычно под диффузией понимают процессы, сопровождающиеся переносом материи , однако иногда диффузионными называют также другие процессы переноса: теплопроводность , вязкое трение и т. п. Скорость протекания диффузии зависит от многих факторов. Так, в случае металлического стержня тепловая диффузия проходит очень быстро. Если же стержень изготовлен из синтетического материала, тепловая диффузия протекает медленно. Диффузия молекул в общем случае протекает ещё медленнее. Например, если кусочек сахара опустить на дно стакана с водой и воду не перемешивать, то пройдёт несколько недель, прежде чем раствор станет однородным. Ещё медленнее происходит диффузия одного твёрдого вещества в другое. Например, если медь покрыть золотом , то будет происходить диффузия золота в медь, но при нормальных условиях (комнатная температура и атмосферное давление) золотосодержащий слой достигнет толщины в несколько микронов только через несколько тысяч лет. Количественно описание процессов диффузии было дано немецким физиологом А. Фиком (англ.
) в 1855 г. Все виды диффузии подчиняются одинаковым законам. Скорость диффузии пропорциональна площади поперечного сечения образца, а также разности концентраций , температур или зарядов (в случае относительно небольших величин этих параметров). Так, тепло будет в четыре раза быстрее распространяться через стержень диаметром в два сантиметра, чем через стержень диаметром в один сантиметр. Это тепло будет распространяться быстрее, если перепад температур на одном сантиметре будет 10 °C вместо 5 °C. Скорость диффузии пропорциональна также параметру, характеризующему конкретный материал. В случае тепловой диффузии этот параметр называется теплопроводность , в случае потока электрических зарядов - электропроводность . Количество вещества, которое диффундирует в течение определённого времени, и расстояние, проходимое диффундирующим веществом, пропорциональны квадратному корню времени диффузии. Диффузия представляет собой процесс на молекулярном уровне и определяется случайным характером движения отдельных молекул. Скорость диффузии в связи с этим пропорциональна средней скорости молекул. В случае газов средняя скорость малых молекул больше, а именно она обратно пропорциональна квадратному корню из массы молекулы и растёт с повышением температуры. Диффузионные процессы в твёрдых телах при высоких температурах часто находят практическое применение. Например, в определённых типах электронно-лучевых трубок (ЭЛТ) применяется металлический торий , продиффундировавший через металлический вольфрам при 2000 °C. Если в смеси газов масса одной молекулы в четыре раза больше другой, то такая молекула передвигается в два раза медленнее по сравнению с её движением в чистом газе. Соответственно, скорость диффузии её также ниже. Эта разница в скорости диффузии лёгких и тяжёлых молекул применяется, чтобы разделять субстанции с различными молекулярными весами. В качестве примера можно привести разделение изотопов . Если газ, содержащий два изотопа, пропускать через пористую мембрану, более лёгкие изотопы проникают через мембрану быстрее, чем тяжёлые. Для лучшего разделения процесс производится в несколько этапов. Этот процесс широко применялся для разделения изотопов урана (отделение 235 U от основной массы 238 U). Поскольку такой способ разделения требует больших энергетических затрат, были развиты другие, более экономичные способы разделения. Например, широко развито применение термодиффузии в газовой среде. Газ, содержащий смесь изотопов, помещается в камеру, в которой поддерживается пространственный перепад (градиент) температур. При этом тяжёлые изотопы со временем концентрируются в холодной области. С точки зрения термодинамики движущим потенциалом любого выравнивающего процесса является рост энтропии . При постоянных давлении и температуре в роли такого потенциала выступает химический потенциал µ
, обуславливающий поддержание потоков вещества. Поток частиц вещества пропорционален при этом градиенту потенциала В большинстве практических случаев вместо химического потенциала применяется концентрация C
. Прямая замена µ
на C
становится некорректной в случае больших концентраций, так как химический потенциал перестаёт быть связан с концентрацией по логарифмическому закону. Если не рассматривать такие случаи, то вышеприведённую формулу можно заменить на следующую: которая показывает, что плотность потока вещества J
пропорциональна коэффициенту диффузии D
[()] и градиенту концентрации. Это уравнение выражает первый закон Фика. Второй закон Фика связывает пространственное и временное изменения концентрации (уравнение диффузии): Коэффициент диффузии D
зависит от температуры. В ряде случаев в широком интервале температур эта зависимость представляет собой уравнение Аррениуса . Дополнительное поле, наложенное параллельно градиенту химического потенциала, нарушает стационарное состояние. В этом случае диффузионные процессы описываются нелинейным уравнением Фоккера-Планка . Процессы диффузии имеют большое значение в природе: Во втором уравнении Фика в левой части стоит скорость изменения концентрации во времени, а в правой части уравнения - вторая частная производная, которая выражает пространственное распределение концентрации, в частности, выпуклость функции распределения температур, проецируемую на ось х. Wikimedia Foundation
.
2010
.
- [лат. diffusio распространение, растекание] физ., хим. проникновение молекул одного вещества (газа, жидкости, твердого тела) в другое при их непосредственном соприкосновении или через пористую перегородку. Словарь иностранных слов. Комлев Н.Г.,… … Словарь иностранных слов русского языка
Диффузия
- – проникновение в среду частиц одного вещества частиц другого вещества, происхо дящее вследствие теплового движения в направлении уменьшения концентрации другого вещества. [Блюм Э. Э. Словарь основных металловедческих терминов. Екатеринбург … Энциклопедия терминов, определений и пояснений строительных материалов
Современная энциклопедия
- (от лат. diffusio распространение растекание, рассеивание), движение частиц среды, приводящее к переносу вещества и выравниванию концентраций или к установлению равновесного распределения концентраций частиц данного сорта в среде. В отсутствие… … Большой Энциклопедический словарь
ДИФФУЗИЯ, перемещение вещества в смеси из область с высокой концентрацией в области с низкой концентрацией, вызванное случайным перемещением отдельных атомов или молекул. Диффузия прекращается, когда исчезает градиент концентрации. Скорость… … Научно-технический энциклопедический словарь
диффузия
- и, ж. diffusion f., нем. Diffusion <лат. diffusio растекание, распространение. Взаимное проникновение соприкасающихся веществ друг в друга вследствие теплового движения молекул и атомов. Диффузия газов, жидкостей. БАС 2. || перен. Они… … Исторический словарь галлицизмов русского языка
Диффузия
- (от латинского diffusio распространение, растекание, рассеивание), движение частиц среды, приводящее к переносу вещества и выравниванию концентраций или установлению их равновесного распределения. Обычно диффузия определяется тепловым движением… … Иллюстрированный энциклопедический словарь
Перемещение частиц в направлении убывания их концентрации, обусловленное тепловым движением. Д. приводит к выравниванию концентраций диффундирующего вещества и равномерному заполнению частицами объема.… … Геологическая энциклопедия
Факторы, влияющие на скорость диффузии
, объединены в законе Фика
. Он гласит, что скорость диффузии пропорциональна следующему выражению: Итак, какие молекулы могут проходить через мембраны за счет диффузии
? Быстро диффундируют через мембраны такие газы, как кислород и диоксид углерода. Молекулы воды, хотя и сильно поляризованные, достаточно малы для того, чтобы без помех проскользнуть между гидрофобными молекулами фосфолипидов. Вместе с тем ионы и более крупные полярные молекулы гидрофобными участками
мембраны отталкиваются, а потому через мембрану крайне медленно. Для их поступления в клетку требуются другие механизмы. Некоторые ионы и полярные молекулы проникают в клетку при помощи особых транспортных белков
. Это белки-каналы и белки-переносчики. Заполненные водой гидрофильные каналы, или поры, этих белков имеют строго определенную форму, соответствующую тому или иному иону или молекуле. Иногда канал проходит не внутри одной белковой молекулы, а между несколькими соседними молекулами. Диффузия
по каналам идет в обоих направлениях. Такую диффузию - при помощи транспортных белков - называют облегченной диффузией
. Транспортные белки, по которым проходят ионы, называются ионными каналами. Обычно ионные каналы снабжены «воротами», т. е. могут открываться и закрываться. Ионные каналы, способные открываться и закрываться, играют важную роль при проведении нервных импульсов. У белков-каналов
форма фиксирована. Было показано, что болезнь, известная как цистозный фиброз, есть результат дефекта в белке, который служит каналом для хлорид-ионов. У белков-переносчиков форма, наоборот, претерпевает быстрые изменения, до 100 циклов в секунду. Они существуют в двух состояниях, и механизм их действия напоминает игру в «пинг-понг». На рисунке показано, как функционирует этот механизм. Связывающие участки белка-переносчика
в одном состоянии («пинг») обращены наружу, а в другом («понг») внутрь клетки. Чем выше концентрация растворенных молекул или ионов, тем больше шансов на то, что они окажутся связанными. Если концентрация растворенного вещества снаружи выше, чем в клетке, как в примере с глюкозой на рисунке, то реальный поток этого вещества будет направлен внутрь, и оно будет поступать в клетку. Именно так глюкоза проникает в эритроциты. Перемещение такого рода имеет все характерные признаки диффузии
, хотя оно и облегчается участием белка. Еще одним примером облегченной диффузии может служить перемещение хлорид- и гидрокарбонат-ионов между эритроцитами и плазмой крови при так называемом хлоридном сдвиге. Это один из механизмов, обеспечивающих частичную и избирательную проницаемость мембран. МОУ Заозёрная СОШ с углубленным изучением отдельных предметов №16 Тема: «Диффузия в живой и неживой природе». Выполнил: ученик 8 А класса Зябрев Кирилл. Учитель физики: Завьялова Г.М. Учитель биологии: Зябрева В.Ф. Томск – 2008 I. Введение. ………………………………………………………… 3 II. Диффузия в живой и неживой природе. 1. История открытия явления. …………………………………. 4 2. Диффузия, её виды. ………………………………………….. 6 3. От чего зависит скорость диффузии? ……………………….. 7 4. Диффузия в неживой природе. ……………………………... 8 5. Диффузия в живой природе. ………………………………… 9 6. Использование явлений диффузии. …………………………. 16 7. Проектирование отдельных явлений диффузии. …………… 17 III. Заключение. …………………………………………………... 20 IV. Используемая литература. …………………………………. . 21
I. Введение.
Как много удивительного и интересного происходит вокруг нас. Светят на ночном небе далёкие звёзды, горит в окне свеча, ветер разносит аромат цветущей черёмухи, тебя провожает взглядом стареющая бабушка…. Многое хочется узнать, попытаться объяснить самостоятельно. Ведь многие природные явления связаны с процессами диффузии, о которой мы говорили недавно в школе. Но говорили так мало! Цели работы
: 1. Расширить и углубить знания о диффузии. 2. Смоделировать отдельные диффузионные процессы. 3. Создать дополнительный материал в компьютерном исполнении для использования на уроках физики и биологии. Задачи:
1. Найти необходимый материал в литературе, Интернет-сети, изучить и проанализировать его. 2. Выяснить, где в живой и неживой природе (физике и биологии) встречаются явления диффузии, какое значение они имеют, где применяются человеком. 3. Описать и спроектировать наиболее интересные опыты по данному явлению. 4. Создать анимационные модели некоторых диффузионных процессов. Методы:
анализ и синтез литературы, проектирование, моделирование. Моя работа состоит из трёх частей; основная часть – из 7 глав. Мной были изучены и обработаны материалы 13 литературных источников, среди которых учебная, справочная, научная литература и Интернет-сайты, а также подготовлена презентация, сделанная в редакторе Power Point.
II.
Диффузия в живой и неживой природе.
II
.1. История открытия явления диффузии.
При наблюдении в микроскопе взвеси цветочной пыльцы в воде Роберт Броун наблюдал хаотичное движение частиц, возникающее «не от движения жидкости и не от ее испарения». Видимые только под микроскопом взвешенные частицы размером 1 мкм и менее совершали неупорядоченные независимые движения, описывая сложные зигзагообразные траектории. Броуновское движение не ослабевает со временем и не зависит от химических свойств среды; его интенсивность увеличивается с ростом температуры среды и с уменьшением ее вязкости и размеров частиц. Даже качественно объяснить причины броуновского движения удалось только через 50 лет, когда причину броуновского движения стали связывать с ударами молекул жидкости о поверхность взвешенной в ней частицы. Первая количественная теория броуновского движения была дана А. Эйнштейном и М. Смолуховским в 1905-06 гг. на основе молекулярно-кинетической теории. Было показано, что случайные блуждания броуновских частиц связаны с их участием в тепловом движении наравне с молекулами той среды, в которой они взвешены. Частицы обладают в среднем такой же кинетической энергией, но из-за большей массы имеют меньшую скорость. Теория броуновского движения объясняет случайные движения частицы действием случайных сил со стороны молекул и сил трения. Согласно этой теории, молекулы жидкости или газа находятся в постоянном тепловом движении, причем импульсы различных молекул не одинаковы по величине и направлению. Если поверхность частицы, помещенной в такую среду, мала, как это имеет место для броуновской частицы, то удары, испытываемые частицей со стороны окружающих ее молекул, не будут точно компенсироваться. Поэтому в результате «бомбардировки» молекулами броуновская частица приходит в беспорядочное движение, меняя величину и направление своей скорости примерно 1014 раз в сек. Из этой теории следовало, что, измерив смещение частицы за определенное время и зная ее радиус и вязкость жидкости можно вычислить число Авогадро. Выводы теории броуновского движения были подтверждены измерениями Ж. Перрена и Т. Сведберга в 1906 г. На основе этих соотношений были экспериментально определены постоянная Больцмана и постоянная Авогадро. (Постоянная Авогадро
обозначается NА, число молекул или атомов в 1 моле вещества, NА=6,022.1023 моль-1; название в честь А. Авогадро. Постоянная Больцмана,
физическая постоянная k
, равная отношению универсальной газовой постоянной R
к числу Авогадро N
A: k
= R
/ N
A = 1,3807.10-23 Дж/К. Названа по имени Л. Больцмана.) При наблюдении броуновского движения фиксируется положение частицы через равные промежутки времени. Чем короче промежутки времени, тем более изломанной будет выглядеть траектория движения частицы. Закономерности броуновского движения служат наглядным подтверждением фундаментальных положений молекулярно-кинетической теории. Было окончательно установлено, что тепловая форма движения материи обусловлена хаотическим движением атомов или молекул, из которых состоят макроскопические тела. Теория броуновского движения сыграла важную роль в обосновании статистической механики, на ней основана кинетическая теория коагуляции (перемешивания) водных растворов. Помимо этого, она имеет и практическое значение в метрологии, так как броуновское движение рассматривают как основной фактор, ограничивающий точность измерительных приборов. Например, предел точности показаний зеркального гальванометра определяется дрожанием зеркальца, подобно броуновской частице бомбардируемого молекулами воздуха. Законами броуновского движения определяется случайное движение электронов, вызывающее шумы в электрических цепях. Диэлектрические потери в диэлектриках объясняются случайными движениями молекул-диполей, составляющих диэлектрик. Случайные движения ионов в растворах электролитов увеличивают их электрическое сопротивление. Траектории броуновских частиц (схема опыта Перрена); точками отмечены положения частиц через одинаковые промежутки времени . Таким образом,
ДИФФУЗИЯ, ИЛИ БРОУНОВСКОЕ ДВИЖЕНИЕ –
это беспорядочное движение мельчайших частиц, взвешенных в жидкости или газе, происходящее под действием ударов молекул окружающей среды; открыто
Р. Броуном в 1827 г.
II. 2. Диффузия, её виды.
Различают диффузию и самодиффузию. Диффузией называется самопроизвольное проникновение молекул одного вещества в промежутки между молекулами другого вещества
. При этом происходит перемешивание частиц. Диффузия наблюдается для газов, жидкостей и твердых тел. Например, капелька чернил перемешивается в стакане воды. Или запах одеколона распространяется по всему помещению. Диффузия, как и самодиффузия, существует, пока есть градиент плотности вещества. Если плотность какого-либо одного и того же вещества неодинакова в разных частях объема, то наблюдается явление самодиффузии. Самодиффузией называется процесс выравнивания плотности
(или пропорциональной ей концентрации) одного и того же вещества
. Диффузия и самодиффузия происходят благодаря тепловому движению молекул, которое при неравновесных состояниях создает потоки вещества. Плотностью потока массы называется масса вещества (dm
), диффундирующего в единицу времени через единичную площадку (dS пл
), перпендикулярную оси x
: Явление диффузии подчиняется закону Фика где - модуль градиента плотности, который определяет скорость изменения плотности в направлении оси х
; D
- коэффициент диффузии, который рассчитывается из молекулярно-кинетической теории по формуле где - средняя скорость теплового движения молекул; Средняя длина свободного пробега молекул. Минус показывает, что перенос массы происходит в направлении убывания плотности. Уравнение (1.2) называется уравнением диффузии или законом Фика .
II. 3. Скорость диффузии.
При движении частицы в веществе, она постоянно сталкивается с его молекулами. Это одна из причин, почему в обычных условиях диффузия идёт медленнее обычного движения. От чего же зависит скорость диффузии? Во-первых, от среднего расстояния между столкновениями частиц, т.е. длины свободного пробега. Чем больше эта длина, тем быстрее частица проникает в вещество. Во-вторых, на скорость влияет давление. Чем плотнее упаковка частиц в веществе, тем труднее частице-пришельцу проникнуть в такую упаковку. В-третьих, большую роль оказывает на скорость диффузии молекулярная масса вещества. Чем крупнее мишень, тем вероятнее попадание, а после столкновения скорость всегда замедляется. И, в-четвёртых, температура. С ростом температуры колебания частиц увеличиваются, растёт скорость молекул. Однако, скорость диффузии в тысячу раз медленнее скорости свободного движения. Все виды диффузии подчиняются одинаковым законам, описываются посредством коэффициента диффузии D, который является скалярной величиной и определяется из первого закона Фика. При одномерной диффузии где J - плотность потока атомов или дефектов вещества, Диффузия представляет собой процесс на молекулярном уровне и определяется случайным характером движения отдельных молекул. Скорость диффузии пропорциональна в связи с этим средней скорости молекул. В случае газов средняя скорость малых молекул больше, а именно она обратно пропорциональна квадратному корню из массы молекулы и растёт с повышением температуры. Диффузионные процессы в твёрдых телах при высоких температурах часто находят практическое применение. Например, в определённых типах электронно-лучевых трубок (ЭЛТ) применяется металлический торий, продиффундировавший через металлический вольфрам при 2000 ºC. Если в смеси газов одна молекула в четыре раза тяжелее другой, то такая молекула передвигается в два раза медленнее по сравнению с её движением в чистом газе. Соответственно, скорость диффузии её также ниже. Эта разница в скорости диффузии лёгких и тяжёлых молекул применяется, чтобы разделять вещества с различными молекулярными весами. В качестве примера можно привести разделение изотопов. Если газ, содержащий два изотопа, пропускать через пористую мембрану, более лёгкие изотопы проникают через мембрану быстрее, чем тяжёлые. Для лучшего разделения процесс производится в несколько этапов. Этот процесс широко применялся для разделения изотопов урана (отделение делящегося под нейтронным облучением 235U от основной массы 238U). Поскольку такой способ разделения требует больших энергетических затрат, были развиты другие, более экономичные способы разделения. Например, широко развито применение термодиффузии в газовой среде. Газ, содержащий смесь изотопов, помещается в камеру, в которой поддерживается пространственный перепад (градиент) температур. При этом тяжёлые изотопы со временем концентрируются в холодной области. Вывод.
На диффузные изменения влияют:
· молекулярная масса вещества (чем выше молекулярная масса, тем меньше скорость);
· среднее расстояние между столкновениями частиц (чем больше длина пробега, тем больше скорость);
· давление (чем больше упаковка частиц, тем труднее её пробить),
· температура (с повышением температуры повышается скорость).
II.4. Диффузия в неживой природе.
Знаете ли вы, что вся наша жизнь построена на странном парадоксе природы? Всем известно, что воздух, которым мы дышим, состоит из газов разной плотности: азота N 2
, кислорода О 2
, углекислого газа СО 2
и незначительного количества других примесей. И эти газы должны быть расположены слоями, соответственно силе тяжести: самый тяжёлый, СО 2
,- у самой поверхности земли, над ним – О 2
, ещё выше - N 2
. Но этого не происходит. Нас окружает однородная смесь газов. Почему не гаснет пламя? Ведь кислород, окружающий его, быстро выгорает? Тут, как и в первом случае, действует механизм выравнивания. Диффузия препятствует нарушению равновесия в природе!
Почему море солёное? Мы знаем, это реки пробиваются сквозь толщу горных пород, минералов и вымывают соли в море. Как перемешивание соли с водой происходит? Это можно объяснить это с помощью простого опыта: ОПИСАНИЕ ОПЫТА:
В стеклянный сосуд наливаем водный раствор медного купороса. Поверх раствора осторожно наливаем чистую воду. Наблюдаем границу между жидкостями. Вопрос:
Что будет происходить с этими жидкостями с течением времени, и что мы будем наблюдать? С течением времени граница между соприкасающимися жидкостями начнёт размываться. Сосуд с жидкостями можно поставить в шкаф и изо дня в день наблюдать, как происходит самопроизвольное перемешивание жидкостей. В конце концов, в сосуде образуется однородная жидкость бледно-голубого цвета, почти бесцветная на свету. Частицы медного купороса тяжелее воды, но благодаря диффузии они медленно поднимаются вверх. Причина в строении жидкости. Частицы жидкости упакованы в компактные группы – псевдоядра. Они отделены друг от друга пустотами – дырами. Ядра не стабильны, их частицы недолго находятся в равновесии. Стоит частице сообщить энергию, как частица отрывается от ядра и проваливается в пустоты. Оттуда она легко перескакивает к другому ядру и т.д. Молекулы инородного вещества начинают своё путешествие по жидкости с дыр. На пути они сталкиваются с ядрами, выбивают из них частицы, встают на их место. Перебираясь с одного свободного места на другое, они медленно перемешиваются с частицами жидкости. Мы уже знаем, что скорость диффузии мала. Поэтому в обычных условиях данный опыт проходил18 дней, при подогреве – 2-3 минуты. Вывод:
В пламени Солнца, жизни и смерти далёких светящихся звёзд, в воздухе, которым мы дышим, изменении погоды, практически во всех физических явлениях мы видим проявление всемогущей диффузии! II.5. Диффузия в живой природе.
Процессы диффузии хорошо изучены в настоящее время, установлены их физические и химические закономерности, и они вполне применимы к перемещению молекул в живом организме. Диффузия в живых организмах неразрывно связана с плазматической мембраной клетки. Поэтому необходимо выяснить, как она устроена, и как особенности её строения связаны с транспортом веществ в клетке. Плазматическая мембрана (плазмалемма, клеточная мембрана), поверхностная, периферическая структура, окружающая протоплазму растительных и животных клеток, служит не только механическим барьером, но, главное, ограничивает свободный двусторонний поток в клетку и из нее низко- и высокомолекулярных веществ. Более того, плазмалемма выступает как структура, «узнающая» различные химические вещества и регулирующая избирательный транспорт этих веществ в клетку Внешняя поверхность плазматической мембраны покрыта рыхлым волокнистым слоем вещества толщиной 3-4 нм - гликокаликсом. Он состоит из ветвящихся цепей сложных углеводов мембранных интегральных белков, между которыми могут располагаться выделенные клеткой соединения белков с сахарами и белков с жирами. Тут же обнаруживаются некоторые клеточные ферменты, участвующие во внеклеточном расщеплении веществ (внеклеточное пищеварение, например, в эпителии кишечника). Так как внутренняя часть липидного слоя гидрофобна, он представляет собой практически непроницаемый барьер для большинства полярных молекул. Вследствие наличия этого барьера, предотвращается утечка содержимого клеток, однако из-за этого клетка была вынуждена создать специальные механизмы для транспорта растворимых в воде веществ через мембрану. Плазматическая мембрана, как и другие липопротеидные мембраны клетки, является полупроницаемой. Максимальной проникающей способностью обладает вода и растворенные в ней газы. Транспорт ионов может проходить по градиенту концентраций, т. е. пассивно, без затрат энергии. В этом случае некоторые мембранные транспортные белки образуют молекулярные комплексы, каналы, через которые ионы проходят сквозь мембрану за счет простой диффузии. В других случаях специальные мембранные белки-переносчики избирательно связываются с тем или иным ионом и переносят его через мембрану. Такой тип переноса называется активным транспортом и осуществляется с помощью белковых ионных насосов. Например, затрачивая 1 молекулу АТФ, система К-Nа насоса откачивает за один цикл из клетки 3 иона Nа и закачивает 2 иона К против градиента концентрации. В сочетании с активным транспортом ионов через плазмалемму проникают различные сахара, нуклеотиды и аминокислоты. Макромолекулы, такие как, например, белки, через мембрану не проходят. Они, а также более крупные частицы вещества транспортируются внутрь клетки посредством эндоцитоза. При эндоцитозе определенный участок плазмалеммы захватывает, обволакивает внеклеточный материал, заключает его в мембранную вакуоль. Эта вакуоль - эндосома - сливается в цитоплазме с первичной лизосомой и происходит переваривание захваченного материала. Эндоцитоз формально разделяют на фагоцитоз (поглощение клеткой крупных частиц) и пиноцитоз (поглощение растворов). Плазматическая мембрана принимает участие и в выведении веществ из клетки с помощью экзоцитоза - процесса, обратного эндоцитозу. Особенно важна для живых организмов диффузия ионов в водных растворах. Не менее важна роль диффузии в дыхании, фотосинтезе, транспирации растений; в переносе кислорода воздуха через стенки альвеол легких и попадания его в кровь человека и животных. Диффузия молекулярных ионов через мембраны осуществляется с помощью электрического потенциала внутри клетки. Обладая избирательной проницаемостью, мембраны играют роль таможни при перемещении товаров через границу: одни вещества пропускают, другие - задерживают, третьи - вообще «выдворяют» из клетки. Роль мембран в жизни клеток очень велика. Гибнущая клетка теряет контроль над возможностью регулировать концентрацию веществ через мембрану. Первым признаком умирания клетки являются начинающиеся изменения в проницаемости и сбое в работе ее наружной мембраны. Помимо обычного транспорта - кинетического процесса переноса частиц вещества под действием градиентов электрического или химического потенциала, температуры или давления - в клеточных процессах имеет место и активный транспорт - движение молекул и ионов против градиента концентрации веществ. Такой механизм диффузии назвали
осмосом. (Впервые осмос наблюдал А. Нолле в 1748 году, однако исследование этого явления было начато спустя столетие.) Этот процесс осуществляется за счет разного осмотического давления в водном растворе по разные стороны биологической мембраны Вода часто свободно проходит путем осмоса через мембрану, но эта мембрана может быть непроницаема для веществ, растворенных в воде. Любопытно, что вода течет против диффузии этого вещества, но подчиняясь общему закону градиента концентрации (в данном случае воды). Поэтому вода стремится из более разбавленного раствора, где ее концентрация выше, в более концентрированный раствор вещества, в котором концентрация воды ниже. Не имея возможности непосредственно всасывать и откачивать воду, клетка осуществляет это с помощью осмоса, изменяя концентрацию находящихся в ней растворенных веществ. Осмос выравнивает концентрацию раствора по обе стороны мембраны. От осмотического давления растворов веществ по обе стороны клеточной оболочки и упругости клеточной оболочки зависит напряжённое состояние клеточной оболочки, которое называют тургорным давлением (тургор – от лат. turgere - быть набухшим, наполненным). Обычно упругость оболочек клеток животных (исключая некоторых кишечнополостных) невелика, они лишены высокого тургорного давления и сохраняют целостность только в изотонических растворах или мало отличающихся от изотонических (разница между давлением внутренним и давлением внешним меньше 0,5-1,0 ам). У живых растительных клеток давление внутреннее всегда больше давления внешнего, однако, разрыва клеточной оболочки у них не происходит из-за наличия целлюлозной клеточной стенки. Разница между внутренним и внешним давлениями у растений (например, у растений галофитов – любящих соль, грибов) достигает 50-100 ам. Но даже при этом запас прочности растительной клетки составляет 60-70%. У большинства растений относительное удлинение клеточной оболочки вследствие тургора не превышает 5- 10%, а тургорное давление лежит в пределах 5-10 ам. Благодаря тургору ткани растений обладают упругостью и конструктивной прочностью. (Опыты №3, №4 подтверждают это). Все процессы автолиза (самоуничтожения), увядания и старения сопровождаются падением тургорного давления. Рассматривая диффузию в живой природе, нельзя не упомянуть о всасывании. Всасывание - процесс поступления различных веществ из окружающей среды через клеточные мембраны в клетки, и через них - во внутреннюю среду организма. У растений это процесс поглощения воды с растворенными в ней веществами корнями, листьями путем осмоса и диффузии; у беспозвоночных - из окружающей среды или полостной жидкости. У примитивных организмов всасывание осуществляется с помощью пино- и фагоцитоза. У позвоночных всасывание может происходить как из полостных органов - легких, матки, мочевого пузыря, так и с поверхности кожи, с раневой поверхности и др. Кожей всасываются летучие газы, пары. Наибольшее физиологическое значение имеет всасывание в желудочно-кишечном тракте, которое происходит главным образом в тонком кишечнике. Для эффективного переноса веществ особое значение имеет большая площадь поверхности кишечника и постоянно высокий кровоток в слизистой оболочке, за счет которого поддерживается высокий градиент концентраций всасываемых соединений. У человека брыжеечный кровоток во время приема пищи около 400 мл/мин, а в разгар пищеварения - до 750 мл/мин, причем основную долю (до 80%) составляет кровоток в слизистой оболочке пищеварительных органов. Благодаря наличию структур, увеличивающих поверхность слизистой оболочки - круговых складок, ворсинок, микроворсинок, общая площадь всасывающей поверхности кишки человека достигает 200 м 2
. Вода и растворы солей могут диффундировать по обе стороны кишечной стенки, как в тонком, так и в толстом кишечнике. Всасывание их происходит в основном в верхних отделах тонкого кишечника. Большое значение имеет в тонком кишечнике транспорт ионов Na+, за счет которых в основном создается электрический и осмотический градиенты. Всасывание ионов Na+ происходит как за счет активного, так и пассивного механизмов. Если бы у клетки не существовало систем регуляции осмотического давления, то концентрация растворенных веществ внутри нее оказалась бы больше их внешних концентраций. Тогда концентрация воды в клетке была бы меньшей, чем ее концентрация снаружи. Вследствие этого, происходил бы постоянный приток воды в клетку и ее разрыв. К счастью, животные клетки и бактерии контролируют осмотическое давление в своих клетках с помощью активного выкачивания неорганических ионов, таких как Na. Поэтому их общая концентрация внутри клетки ниже, чем снаружи. Например, земноводные значительную часть времени проводят в воде, а содержание солей в их крови и лимфе выше, чем в пресных водах. Организмы амфибий через кожные покровы непрерывно всасывают воду. Поэтому они вырабатывают много мочи. Лягушка, например, если ей перевязать клоаку, разбухает, как шар. И, наоборот, если земноводное попадает в солёную морскую воду, оно обезвоживается и погибает очень быстро. Поэтому моря и океаны для амфибий – неодолимая преграда. Клетки растений имеют жесткие стенки, которые предохраняют их от набухания. Многие простейшие избегают разрыва от поступающей внутрь клетки воды с помощью специальных механизмов, которые регулярно выбрасывают поступающую воду. Таким образом, клетка является открытой термодинамической системой, осуществляя обмен веществом и энергией с
окружающей средой, но сохраняющей определенное постоянство внутренней среды. Эти два свойства саморегулирующейся системы - открытость и постоянство - выполняются одновременно, причем за постоянство клетки как раз и отвечает обмен веществ (
метаболизм). Обмен веществ является тем регулятором, который способствует сохранению системы, он обеспечивает целесообразное реагирование на воздействие окружающей среды. Поэтому необходимым условием обмена веществ является раздражимость живой системы на всех уровнях, которая в то же время выступает как фактор системности и целостности системы. Мембраны могут менять свою проницаемость под воздействием химических и физических факторов, в том числе в результате деполяризации мембраны при прохождении электрического импульса через систему нейронов и воздействия на нее. Нейрон - это отрезок нервного волокна. Если на одном его конце действует раздражитель, то возникает электрический импульс. Величина его около 0,01 В для мышечных клеток человека, и он распространяется со скоростью порядка 4 м/с. Когда импульс доходит до
синапса - соединения нейронов, которое можно рассматривать как своеобразное реле, передающее сигнал от одного нейрона на другой, то электрический импульс преобразуется в химический с помощью выделения нейромедиаторов - специфических веществ-посредников. Когда молекулы такого посредника попадают в щель между нейронами, то нейромедиатор путем диффузии достигает конца щели и возбуждает следующий нейрон. Однако нейрон реагирует только в том случае, если на его поверхности имеются особые молекулы - рецепторы, которые могут связывать лишь данный медиатор и не реагировать на другой. Это происходит не только на мембране, но и в любом органе, например мышце, вызывая ее сокращение. Сигналы-импульсы через синапсы могут тормозить или усиливать передачу других, и поэтому нейроны исполняют логические функции («и», «или»), что в известной мере и послужило
Н. Винеру основанием считать, что вычислительные процессы в мозгу живого организма и в ЭВМ идут принципиально по одной и той же схеме. Тогда информационный подход позволяет единым образом описывать неживую и живую природу. Сам процесс воздействия сигнала на мембрану заключается в изменении ее высокого электрического сопротивления, так как разность потенциалов на ней тоже порядка 0,01 В. Уменьшение сопротивления приводит к увеличению импульса электрического тока и возбуждение передается дальше в виде нервного импульса, изменяя при этом возможность прохождения через мембрану определенных ионов. Таким образом, информация в организме может передаваться в сочетании, химическим и физическим механизмами, и это обеспечивает надежность и многообразие каналов ее передачи и переработки в живой системе. С процессами клеточного дыхания, когда в митохондриях клетки образуются молекулы АТФ, обеспечивая ее необходимой энергией, тесно связаны и процессы обычного дыхания живого организма, для которого требуется кислород О2, получаемый в результате фотосинтеза. Механизмы этих процессов также основаны на законах диффузии. По существу, это те материальные и энергетические компоненты, которые необходимы живому организму.
Фотосинтез - это процесс запасания солнечной энергии путем образования новых связей в молекулах синтезируемых веществ. Исходными веществами для фотосинтеза являются вода Н 2
О и двуокись углерода СО 2
. Из этих простых неорганических соединений образуются более сложные богатые энергией питательные вещества. В качестве побочного, но очень важного для нас продукта образуется молекулярный кислород О 2
. Примером может служить реакция, которая идет за счет поглощения квантов света и присутствия пигмента хлорофилла, содержащегося в хлоропластах. В результате получается одна молекула сахара C 6
Н 12
О 6
и шесть молекул кислорода О 2
. Процесс идет по-стадийно, сначала на стадии фотолиза образуются путем расщепления воды водород и кислород, а затем водород, соединяясь с углекислым газом, образует углевод – сахар С 6
Н 12
О 6
. По существу, фотосинтез - преобразование лучистой энергии Солнца в энергию химических связей возникающих органических веществ. Таким образом, фотосинтез, производящий на свету кислород О 2
, является тем биологическим процессом, который обеспечивает живые организмы свободной энергией. Процесс обычного дыхания как процесс обмена веществ в организме, связанный с потреблением кислорода, является обратным процессу фотосинтеза. Оба эти процесса могут идти по следующей цепочке: Солнечная энергия (фотосинтез) питательные вещества + (дыхание) Энергия химических связей. Конечные продукты дыхания служат исходными веществами для
фотосинтеза. Тем самым процессы фотосинтеза и дыхания участвуют в круговороте веществ на Земле. Часть солнечного излучения поглощается растениями и некоторыми организмами, которые, как мы уже знаем, являются
автотрофами, т.е. самопитающимися (питание для них - солнечный свет). В результате процесса фотосинтеза автотрофы связывают углекислый газ атмосферы и воду, образуя до 150 млрд. тонн органических веществ, усваивая до 300 млрд. тонн СО 2
, и выделяют около 200 млрд. тонн свободного кислорода О 2
ежегодно. Полученные органические вещества употребляются в качестве пищи человеком и травоядными животными, которыми, в свою очередь, питаются другие
гетеротрофы. Растительные и животные остатки затем разлагаются до простых неорганических веществ, которые снова могут участвовать в виде СО 2
и Н 2
О в фотосинтезе. Часть получающейся энергии, в том числе запасенной в виде ископаемого энергетического топлива, идет на потребление ее живыми организмами, часть бесполезно рассеивается в окружающую среду. Поэтому процесс фотосинтеза благодаря возможности обеспечения им необходимой энергии и кислорода является на определенном этапе развития биосферы Земли катализатором эволюции живого. Процессы диффузии лежат в основе обмена веществ в клетке, а значит, с их помощью данные процессы осуществляются и на уровне органов. Так осуществляются процессы всасывания в корневых волосках растений, кишечнике животных и человека; газообмен в устьицах растений, лёгких и тканях человека и животных, выделительные процессы. Строением и изучением клеток биологи занимаются уже более 150 лет, начиная с
Шлейдена,
Шванна, Пуриме и
Вирхова, который в 1855 г. установил механизм роста клеток путем их деления. Было установлено, что каждый организм развивается из одной клетки, которая начинает делиться и в результате этого образуется множество клеток, заметно отличающихся друг от друга. Но поскольку изначально развитие организма началось от деления первой клетки, то на одном из этапов нашего жизненного цикла мы сохраняем сходство с очень отдаленным одноклеточным предком, и можно в шутку сказать, что мы скорее произошли от амебы, чем от обезьяны. Из клеток формируются органы, и у системы клеток появляются такие качества, которых нет у составляющих ее элементов, т.е. отдельных клеток. Эти отличия обусловлены набором белков, синтезируемых данной клеткой. Бывают клетки мышечные, нервные, кровяные (
эритроциты), эпителиальные и другие в зависимости от своей функциональности. Дифференцировка клеток происходит постепенно в процессе развития организма. В процессе деления клеток, их жизни и гибели в течение всей жизни организма происходит непрерывная замена клеток. Ни одна молекула в нашем теле не остается неизменной дольше нескольких недель или месяцев. За это время молекулы синтезируются, выполняют свою роль в жизни клетки, разрушаются и заменяются другими, более или менее идентичными молекулами. Самое удивительное, что живые организмы в целом значительно более постоянны, чем составляющие их молекулы, и строение клеток и всего тела, состоящего из этих клеток, остается в этом безостановочном круговороте неизменным, несмотря на замену отдельных компонентов. Причем это не замена отдельных деталей автомобиля, а, как образно сравнивает С. Роуз, тело с кирпичной постройкой, «из которой сумасшедший каменщик непрерывно ночью и днем вынимает один кирпич за другим и вставляет на их место новые. При этом наружный вид постройки остается прежним, а материал постоянно заменяется». Мы рождаемся с одними нейронами и клетками, а умираем с другими. Примером является сознание, понимание и восприятие ребенка и старого человека. Во всех клетках имеется полная генетическая информация для построения всех белков данного организма. Хранение и передача наследственной информации осуществляются с помощью клеточного ядра. Вывод:
Нельзя преувеличить роль проницаемости плазматической мембраны в жизнедеятельности клетки. Большинство процессов, связанных с обеспечением клетки энергией, получением продуктов и избавлением ее от продуктов распада, основаны на закономерностях диффузии через эту полупроницаемую живую преграду. Осмос
– по сути дела, простая диффузия воды из мест с ее большей концентрацией, в места с меньшей концентрацией воды. Пассивный транспорт
– это перенос веществ из мест с большим значением электрохимического потенциала к местам с его меньшим значением. Перенос малых водорастворимых молекул осуществляется при помощи специальных транспортных белков. Это особые трансмембранные белки, каждый из которых отвечает за транспорт определенных молекул или групп родственных молекул. Часто бывает необходимым обеспечить перенос через мембрану молекул против их электрохимического градиента. Такой процесс называется активным транспортом
и осуществляется белками-переносчиками, деятельность которых требует затрат энергии. Если связать белок-переносчик с источником энергии, можно получить механизм, обеспечивающий активный транспорт веществ через мембрану. II.6. Применение диффузии.
Человек с древних времён использует явления диффузии. С данным процессом связаны приготовление пищи и обогрев жилища. Мы встречаемся с диффузией при термообработке металлов (сварке, пайке, резке, нанесении покрытий и т.п.); нанесении тонкого слоя металлов на поверхность металлических изделий для повышения химической стойкости, прочности, твёрдости деталей и приборов, или в защитно-декоративных целях (оцинкование, хромирование, никелирование). Природный горючий газ, которым мы пользуемся дома для приготовления пищи, не имеет ни цвета, ни запаха. Поэтому трудно было бы сразу заметить утечку газа. А при утечке за счёт диффузии газ распространяется по всему помещению. Между тем при определённом соотношении газа с воздухом в закрытом помещении образуется смесь, которая может взорваться, например, от зажженной спички. Газ может вызвать и отравление. Чтобы сделать поступление газа в помещение заметным, на распределительных станциях горючий газ предварительно смешивают с особыми веществами, обладающими резким неприятным запахом, который легко ощущается человеком даже при весьма малой его концентрации. Такая мера предосторожности позволяет быстро заметить накопление газа в помещении, если образовалась утечка. В современной промышленности используют вакуумформование, способ изготовления изделий из листовых термопластов. Изделие требуемой конфигурации получают за счет разности давлений, возникающей вследствие разрежения в полости формы, над которой закреплен лист. Применяется, напр., в производстве емкостей, деталей холодильников, корпусов приборов. За счёт диффузии таким путём можно сварить то, что само сварить невозможно (металл со стеклом, стекло и керамику, металлы и керамику, и многое другое). За счёт диффузии различных изотопов урана через пористые мембраны полечено топливо для ядерных реакторов. Иногда ядерное топливо называют ядерным горючим. Всасывание (рассасывание) веществ при введении их в подкожную клетчатку, в мышцы или при аппликации на слизистые оболочки глаза, носа, кожу слухового прохода происходит главным образом за счет диффузии. На этом основано применении многих лекарственных веществ, причем всасывание в мышцах происходит быстрее, чем в коже. Народная мудрость гласит: «коси коса, пока роса». Скажете, причем здесь диффузия и утренний покос? Объяснение очень просто. Во время утренней росы у трав повышенное тургорное давление, открыты устьица, стебли упругие, что облегчает их скашивание (трава, скошенная при закрытых устьицах, хуже сохнет). В садоводстве, при окулировке и прививке растений на срезах за счёт диффузии образуется каллюс (от лат. Сallus – мозоль) - раневая ткань в виде наплыва в местах повреждений и способствует их заживлению, обеспечивает срастание привоя с подвоем. Каллюс используют для получения культуры изолированных тканей (эксплантации). Это метод длительного сохранения и выращивания в специальных питательных средах клеток, тканей, небольших органов или их частей, выделенных из организма человека, животных и растений. Основан на методах выращивания культуры микроорганизмов, обеспечивающих асептику, питание, газообмен и удаление продуктов обмена культивируемых объектов. Одно из преимуществ метода тканевых культур - возможность наблюдения за жизнедеятельностью клеток с помощью микроскопа. Для этого растительную ткань выращивают на питательных средах, содержащих ауксины и цитокинины. Каллюс состоит обычно из слабо дифференцированных однородных клеток образовательной ткани, но при изменении условий выращивания, прежде всего содержания фитогормонов в питательной среде, в нем возможно образование флоэмы, ксилемы и других тканей, а также развитие различных органов и целого растения. II.7. Проектирование отдельных опытов.
Используя научную литературу, я попытался повторить наиболее интересные для меня опыты. Механизм диффузии и результаты этих опытов я изобразил в презентации в виде анимационных моделей. ОПЫТ 1.
Взять две пробирки: одна до половины наполнена водой, другая до половины наполнена песком. Воду вылить в пробирку с песком. Объём смеси воды и песка в пробирке меньше суммы объёмов воды и песка. ОПЫТ 2.
Длинную стеклянную трубку до половины наполнить водой, а затем сверху налить подкрашенный спирт. Общий уровень жидкостей в трубке отметить резиновым кольцом. После перемешивания воды и спирта объём смеси уменьшается. (Опыты 1 и 2. доказывают, что между частицами вещества существуют промежутки; во время диффузии они заполняются частицами вещества – пришельца.) ОПЫТ 3.
Ватку, смоченную нашатырным спиртом, приведём в соприкосновение с ваткой, смоченной индикатором фенолфталеином. Наблюдаем окрашивание ваток в малиновый цвет. Теперь ватку, смоченную нашатырным спиртом, помещают на дно стеклянного сосуда, а смоченную фенолфталеином. Прикрепим к крышке и накроем этой крышкой стеклянный сосуд. Через некоторое время ватка, смоченная фенолфталеином, начинает окрашиваться. В результате взаимодействия с нашатырным спиртом фенолфталеин окрашивается в малиновый цвет, что мы и наблюдали при соприкосновении ваток. Но почему тогда во втором случае ватка, смоченная фенолфталеином. Также окрашивается, ведь теперь ватки в соприкосновение не приводились? Ответ: непрерывное хаотическое движение частиц веществ. ОПЫТ 4.
Вдоль стенки внутри высокого цилиндрического сосуда опустить узкую полоску фильтровальной бумаги, пропитанной смесью крахмального клейстера с раствором индикатора фенолфталеина. На дно сосуда поместить кристаллы йода. Сосуд плотно закрыть крышкой, к которой подвешена вата, пропитанная раствором аммиака. За счёт взаимодействия йода с крахмалом по полоске бумаги вверх поднимается сине – фиолетовое окрашивание. Одновременно вниз распространяется малиновая окраска – доказательство движения молекул аммиака. Через несколько минут границы окрашенных участков бумаги встретятся, и далее синий и малиновый цвета смешиваются, то есть происходит диффузия.[ 10] ОПЫТ 5.
(проводят вдвоём) Взять часы с секундной стрелкой, рулетку, флакон туалетной воды и встать в разные углы комнаты. Один засекает время и открывает флакон. Другой отмечает время, когда почувствует запах туалетной воды. Измеряя расстояние между экспериментаторами, находим скорость диффузии. Для точности опыт повторяется 3 – 4 раза, и находится среднее значение скорости. Если расстояние между эксперитентаторами 5 метров, то запах чувствуется через 12 минут. То есть скорость диффузии в данном случае равна 2, 4 м /мин. ОПЫТ 6.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЯЗКОСТИ ПЛАЗМЫ МЕТОДОМ ПЛАЗМОЛИЗА (по П.А.Генкелю) . Скорость наступления выпуклого плазмолиза
в растительных клетках при их обработке гипертаническим раствором зависит от вязкости цитоплазмы; чем меньше вязкость цитоплазмы, тем скорее вогнутый плазмолиз переходит в выпуклый. Вязкость цитоплазмы зависит от степени дисперсии коллоидных частиц и их гидратации, от содержания воды в клетке, от возраста клеток и других факторов. Ход работы.
Делают тонкий срез эпидермиса с листа алоэ, или сдирают эпидермис с мягких чешуй лука. Изготовленные срезы подкрашивают в часовом стекле в течение 10 минут в растворе нейтрального красного концентрации 1:5000. Затем срезы объекта помещают на предметное стекло в каплю сахарозы слабой концентрации и закрывают одним покровным стеклом. Под микроскопом отмечают состояние плазмолиза. Сначала в клетках отмечается вогнутый плазмолиз. В дальнейшем эта форма или сохраняется, или с той или иной быстротой переходит в выпуклую форму. Важно отметить время перехода вогнутого плазмолиза в выпуклый. Промежуток времени, в течение которого вогнутый плазмолиз переходит в выпуклый, является показателем степени вязкости протоплазмы. Чем больше продолжительность времени перехода к выпуклому плазмолизу, тем больше вязкость плазмы. Плазмолиз в клетках лука начинается быстрее, чем в кожице алоэ. Значит цитоплазма клеток алоэ более вязкая. ОПЫТ 7.
ПЛАЗМОЛИЗ. ДЕПЛАЗМОЛИЗ. ПРОНИКНОВЕНИЕ ВЕЩЕСТВ В ВАКУОЛЬ [ 2] Некоторые органические вещества довольно быстро проникают в вакуоль. В клетках, при их выдерживании в растворах таких веществ, сравнительно быстро теряется плазмолиз и наступает деплазмолиз. Деплазмолиз – это восстановление тургора в клетках
(т.е. явление, обратное плазмолизу). Ход работы.
Срезы верхнего эпидермиса чешуи окрашенного лука (вогнутая сторона) помещают в каплю I М раствора удобрения для растений мочевины или глицерина прямо на предметном стекле, накрывают покровным стеклом. Через 15-30 минут объекты рассматривают под микроскопом. Хорошо заметны плазмолизированные клетки. Оставляют срезы в капле раствора еще на 30-40 минут. Потом опять рассматривают под микроскопом и наблюдают деплазмолиз - восстановление тургора. Вывод
:
растения не могут чётко контролировать количество поступающих и выходящих из клеток химических веществ. III.
Заключение.
Закономерностям диффузии подчиняются процессы физико-химических перемещений элементов в земных недрах и во Вселенной, а также процессы жизнедеятельности клеток и тканей живых организмов. Диффузия играет важную роль в различных областях науки и техники, в процессах, происходящих в живой и неживой природе. 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 и т.д. Диффузия большое значение имеет при образовании на границах фаз двойного электрического слоя, диффузиофорезе и электрофорезе, в фотографических процессах для быстрого получения изображения и др. Диффузия служит основой многих распространённых технических операций: спекания порошков, химико-термической обработки металлов, металлизации и сварки материалов, дубления кожи и меха, крашения волокон, перемещения газов с помощью диффузионных насосов. Роль диффузии существенно возросла в связи с необходимостью создания материалов с заранее заданными свойствами для развивающихся областей техники (ядерной энергетики, космонавтики, радиационных и плазмохимических процессов и т.п.). Знание законов, управляющих диффузией, позволяет предупреждать нежелательные изменения в изделиях, происходящие под влиянием высоких нагрузок и температур, облучения и могое-многое другое… Каким вообще был бы мир без диффузии? Прекратись тепловое движение частиц – и вокруг всё станет мёртвым! В своей работе я обобщил собранный по теме реферата материал и подготовил для его защиты презентацию, сделанную в редакторе Power Point. Данная презентация, на мой взгляд, сможет разнообразить материал урока по данной теме. Некоторые описанные в литературе опыты были повторены и немного видоизменены мной. Наиболее интересные примеры диффузии представлены на слайдах презентации в анимационных моделях.
IV.
Используемая литература:
1. Антонов В. Ф., Черныш А. М., Пасечник В. И., и др. Биофизика. М., Арктос-Вика-пресс, 1996 2. Афанасьев Ю.И., Юрина Н.А., Котовский Е.Ф. и др. Гистология. М. Медицина, 1999. 3. Албертс Б., Брэй Д., Льюис Дж. и др. Молекулярная биология клетки. В 3-х томах. Том 1. М., Мир, 1994. 4. Большая энциклопедия Кирилла и Мефодия 2006 5. Варикаш В.М. и др. Физика в живой природе. Минск,1984. 6. Демьянков Е.Н. Задачи по биологии. М. Владос, 2004. 7. Николаев Н.И. Диффузия в мембранах. М. Химия, 1980, с.76 8. Перышкин А.В. Физика. 7. М. Дрофа, 2004. 9. Физический энциклопедический словарь, М., 1983, с. 174-175, 652, 754 10. Шабловский В. Занимательная физика. С-Петербург, «тригон» 1997, с.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» Категории: Явления на атомном уровне | Термодинамические явления | Явления переноса | Диффузия Закон Фика
Ускорение диффузии
Специальные методы диффузии
Общее описание
Уравнения Фика
Геометрическое описание уравнения Фика
См. также
Примечания
Литература
Ссылки
Смотреть что такое "Диффузия" в других словарях:
Оглавление темы "Электронная микроскопия. Мембрана.":
(1.1)
(1.2)
(1.3)
,
D - коэффициент диффузии,
N - концентрация атомов или дефектов вещества.