Фізичні явища навколо нас. 7 клас. Годована

Дифузія навколо нас

Уяви класну кімнату. Чи може бути так, що ти і твої однокласники сидите разом в одному кутку класу? Так, можливо. Та й парти і стільці розташовані рівномірно, щоб ви не сиділи занадто близько одне до одного. Але діти частіше бігають! Саме так «працює» дифузія. Частинки рідини і газу «не бажають» скупчуватись в одному місці. Вони завжди намагаються розподілитися рівномірно! Ти вже знаєш, що всі тіла складаються з атомів та молекул. Молекули — це найменші частинки речовини.

На рисунку зліва ми бачимо частинки, які опинилися в рідині, а на рисунку справа — ту саму рідину через деякий час. Молекули однієї речовини розподіляються між молекулами іншої речовини. Це і є процес дифузії.

Дифузія може відбуватися з речовиною в будь-якому стані, але найчастіше — з рідинами та газами. У цьому випадку між частинками вистачає місця, і це дозволяє їм рухатися. У твердих тілах частинки щільно «упаковані» й можуть лише коливатись. Однак газ може проникати крізь тверде тіло. Ти помічав, що повітряна кулька повільно здувається за кілька днів після веселого дня народження. Це відбувається тому, що повітря повільно виходить через оболонку з кульки туди, де у нього більше місця для руху!

Отже, дифузія — це хаотичне, самовільне й незворотне перенесення частинок однієї речовини в іншу в результаті теплового руху. Її результатом є перемішування речовин.

Наведемо деякі приклади дифузії, знайомі кожній людині:

  • кубик цукру розчиняється у воді і робить її солодкою;
  • запахи їжі поширюються в повітрі, і ми їх відчуваємо;
  • і приготування чашки кави, і з’єднання металів під час їх зварювання також не обійдеться без дифузії.

Однак не все так просто, як здасться на перший погляд. Дифузія — це досить повільний пасивний процес. Однак ми зазвичай досить швидко сприймаємо запахи, навіть перебуваючи далеко від джерела. Як це пояснити?

Щоб розібратися в цьому, звернемо увагу на інше фізичне явище — конвекцію. Конвекція — це передача тепла, пов’язана з рухом потоків рідини або газу. Коли холодна вода або повітря нагріваються, потоки гарячої речовини піднімаються вгору, а потоки холодної — опускаються вниз. Електричний радіатор нагріває повітря, яке потоком підіймається вгору. Конвекція веде до того, що вода, яка гріється в каструлі, і повітря в приміщенні постійно рухаються, хоча ми цього й не бачимо.

У процесі дифузії переміщуються окремі частинки, а під час конвекції — потоки рідини чи газу, і перенесення речовини відбувається значно швидше. На відміну від дифузії, конвекція в твердих тілах неможлива.

Проведемо кілька дослідів.

Дослід 1. «Дифузія в газах»

Використаємо парфуми та електронний годинник.

В одному кутку кімнати розпили парфуми, і приблизно за хвилину в протилежному кутку (відстань ~ 5 м) відчуєш їхній запах. Чому так сталося?

Розбір досліду

Молекули парфумів проникають у простір між молекулами повітря — відбувається дифузія. Деякі з молекул парфумів потрапляють у потоки повітря і переміщуються по кімнаті в різних напрямках — відбувається конвекція. Ми не можемо візуально спостерігати рух молекул під час досліду, але наявність запаху свідчить про їхнє переміщення.

Явища дифузії і конвекції в газах проявляються спільно. Саме такі явища ти спостерігаєш, коли відчуваєш запах домашньої випічки або свіжих квітів.

Дослід 2. «Дифузія в рідинах»

Візьмемо два харчових барвника, тарілку і трохи води.

Наллємо воду в тарілку. Барвники одночасно насипаємо у воду з протилежних країв тарілки. Спостерігаємо.

Час фіксації процесу дифузії (хвилини)

Через 5 хвилин від початку досліду колір води стає більш насиченим. Дифузія закінчується, коли пігмент повністю розчиняється.

Розбір досліду

Молекули пігменту поступово проникають між молекулами води. Під час проведення цього досліду ми спостерігаємо, що процес дифузії відбувається в усіх напрямках. Молекули пігменту самовільно, безперервно й хаотично рухаються в різні боки між молекулами води та поступово поширюються по всьому об’єму.

Отже, дифузія рідини і речовини у твердому стані є більш тривалим процесом (порівняно із дифузією в газах). Результатом цього процесу є розчинення пігменту.

Дослід 3. «Залежність дифузії від температури»

Використовуємо прозорі пластикові стакани — 4 шт.; гуаш червоного й синього кольорів; холодну й гарячу воду; дві піпетки.

У два пластикові стакани наливаємо окремо гарячу й холодну воду та додаємо до неї трохи гуаші для візуалізації: у гарячу воду — фарбу червоного кольору; у холодну — синього.

Додатково робимо насичені розчини: з синьою фарбою — гарячий, з червоною — холодний. Зверни увагу, що кольори ми поміняли місцями.

Набравши в шприці насичені розчини фарб червоного й синього кольорів окремо, вливаємо їх у стакани з підфарбованою водою так:

  • 1) у стакан із гарячою водою блідого червоного кольору — насичений розчин синьої фарби;
  • 2) у стакан із холодною водою блідого синього кольору — насичений розчин червоної фарби.

В гарячу воду ми додали гарячий розчин, а в холодну — холодний! Так ми зменшили вплив конвекції.

Результати експерименту можна побачити на фото (див. с. 18).

Добре видно, що дифузія в гарячій воді (стакан ліворуч) відбувається інтенсивніше: синя фарба швидко розподіляється по всьому об’єму рівномірно на відміну від червоної в холодній воді.

Розбір досліду

Молекули води не мають визначеного положення, але одночасно їм недоступна повна свобода пересувань. Молекули води розташовані майже впритул одна до одної. Між ними існує притягання, досить сильне, щоб утримати їх на малій відстані в певному інтервалі температур. Молекули води постійно й хаотично рухаються, під час нагрівання води швидкість руху молекул зростає. Молекули коливаються й можуть «перестрибувати» з одного місця на інше (цим зумовлена текучість води).

Отже, ми з’ясували, що чим вища температура води, до якої додається інша речовина, тим швидше відбувається дифузія у зв’язку з тим, що молекули води рухаються швидше.

Дослід 4. «І знову про дифузію»

Спробуємо дослідити дифузію у твердих тілах. Використовуємо шматочок вершкового масла; шматочок твердого молочного шоколаду; невелику склянку; мікрохвильову піч.

Для проведення експерименту в склянку двома шарами (товщиною не більше 1 см) викладаємо:

  • 1) шматочок вершкового масла;
  • 2) шматочок молочного шоколаду.

Склянку ставимо до мікрохвильової печі.

У результаті досліду (після охолодження) утворюється однорідна тверда речовина коричневого кольору. Спостереження результатів досліду:

до початку нагрівання

через невеликий проміжок часу

після закінчення дифузії

Розбір досліду

Побачити дифузію у твердих тілах складно, тому що вона відбувається надзвичайно повільно. Але ж ми отримали однорідну речовину! Чи це дифузія твердих тіл? Ні! Під час досліду речовини нагрілися, стали рідкими, і ми знову спостерігали дифузію в рідинах.

Якщо ми підготуємо склянку з маслом і шоколадом для досліду і ввечері «забудемо» її на столі, то вранці побачимо, що вони ледь-ледь пофарбували одне одного. В морозильній камері вони взагалі залишаться чистими. Отже, дифузія у твердих тілах протікає набагато повільніше, ніж у рідинах та газах.

Нижче наведено приклади дифузії у природі.

Дифузія і конвекція в атмосфері

Нижній шар атмосфери (тропосфера) складається із суміші газів, придатної для життя: азоту, кисню, вуглекислого газу й парів води. За відсутності дифузії сталося б розшарування під дією сили тяжіння: унизу опинився б шар важкого вуглекислого газу, над ним — кисень, вище — азот та інертні гази.

Дим від вогнища розповсюджується на великі відстані значною мірою за рахунок конвекції.

Дерева поглинають вуглекислий газ і виділяють кисень.

Дифузія в рідині

Велике значення дифузія має в постачанні мешканців природних водойм і акваріумів киснем: він потрапляє в більш глибокі шари води в стоячих водах за рахунок дифузії через їх вільну поверхню.

Акули відчувають запах крові на відстані кількох кілометрів.

Дифузія в середовищі

Берег озера заріс травами. До кожного пагона, кожного листка рослин через кореневі волоски з ґрунту проникають поживні речовини, розчинені у воді.

Природа нагородила дерева великою кроною через те, що дифузійний обмін крізь поверхню листків виконує функцію як дихання, так частково й живлення. Зараз практикують позакореневе підживлення плодових дерев шляхом обприскування їхньої крони розчинами поживних речовин.

Дифузія в житті комах

Квіти різних рослин мають свій особливий запах, який бджоли зазвичай не плутають. Торкаючись вусиками інших бджіл, вони розпізнають цей запах і за ним знаходять квітучі рослини.

Метелики, які живляться м’якоттю фруктів, знаходять їжу за запахом.

Мурахам притаманна висока чутливість до запахів, тому запахи для них — один зі способів спілкування, пошуку їжі та орієнтування в просторі.

Дифузія у світі тварин

Жук-плавунець висуває з води кінчик черевця та, піднявши надкрила, набирає повітря в дихальця — отвори в черевці, від них відходять трахеї — трубочки — до кожного органа жука. Завдяки дифузії кисень із трахей проникає в кожну клітину організму жука, а вуглекислий газ із клітин проникає в трахеї та виводиться назовні.

Жаба — дуже цікава тварина: живе у воді і не п’є її, на суші дихає легенями й вологою шкірою, у воді — шкірою.

У великих тварин дихання відбувається через спеціальні органи — легені. Проникнення кисню з повітря через мембрани легеневих бульбашок у кров, а вуглекислого газу — із крові в повітря відбувається завдяки дифузії.

Пропоную підбити підсумки!

Дифузія відіграє величезну роль у природі, житті людини та техніці. Дифузія може позитивно впливати на життєдіяльність людини, на існування тваринного і рослинного світів.

На явищі дифузії ґрунтується багато фізіологічних процесів, що відбуваються в організмі людини: дихання, усмоктування поживних речовин у кишечнику та ін.

Ми можемо захистити себе від багатьох хвороб, приймаючи ліки, які засвоюються організмом завдяки дифузії.

На явищі дифузії ґрунтується зварювання металів. Деталі поміщають у закриту зварювальну камеру із сильним розрідженням, стискають і нагрівають до 800 градусів. При цьому відбувається інтенсивна взаємна дифузія речовин.

Задачі

  • 1. Що спільного між схематичним зображенням гравців на футбольному полі і явищем дифузії?

  • 2. Помідори чері були одночасно залиті: одна банка — холодним розсолом, друга — гарячим. У другій банці помідори чері просолились швидше. Чому?
  • 3. Уяви, що в тебе є сучасний мікроскоп. Що ти побачиш у ньому, розглядаючи будову речовини?

  • 4. Допомагаючи мамі, Валерія випрала різнокольорові речі. Коли мама дістала мокрі речі з пральної машини, щоб розвісити їх, вона дуже засмутилася. Чому не слід мокрі різнокольорові речі залишати на тривалий час в зіткненні з білими?
  • 5. Як старша сестра, сидячи за комп’ютером, здогадалася, що її молодша сестра пролила мамині улюблені парфуми?

Цікаві факти

Коли дві чисті, без шару оксидів частини однакових металів стикаються у відкритому космосі, вони міцно з'єднуються, нібито «склеюються». Видатний американський вчений Річард Фейнман образно пояснив це явище тим, що атоми одного виду не можуть «дізнатися», якому саме тілу вони належать. За відсутності молекул оксидів і повітря вони наближуються настільки, що між ними починають діяти значні сили міжмолекулярного притягання. Таке «холодне зварювання», тобто дифузія, стало причиною проблем під час польоту космічного апарата «Ґалілео» до Юпітера. Деталі антени «зрослися», і це ускладнило передачу даних на Землю.

Людина навчилась використовувати властивості дифузії для створення власної безпеки. Природний горючий газ, яким ми користуємося вдома, не має ані кольору, ані запаху. Щоб можна було помітити його витік, на розподільних станціях газ змішують з особливою речовиною, яка має різкий неприємний запах, і людина його легко відчуває.