диффузия в твердых телах происходит медленнее чем в газах так как

Диффузия в газах, жидкостях и твердых телах

Урок 4. Физика 7 класс ФГОС

В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам

Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобрев в каталоге.

Получите невероятные возможности

Конспект урока «Диффузия в газах, жидкостях и твердых телах»

Диффузия в газах, жидкостях и твердых телах

Один опыт я ценю выше тысячи мнений, рождённых воображением

Михаил Васильевич Ломоносов

В данной теме продолжается ознакомление с первоначальными сведениями о строении вещества.

Молекулы – мельчайшие частицы вещества. Эти частицы настолько малы, что мы не в состоянии увидеть их невооруженным глазом, поэтому, все тела кажутся сплошными. Однако было доказано с помощью опытов, что тела состоят из малых частиц. Как оказалось, молекулы не стоят на месте, а постоянно находятся в беспорядочном движении. Возникает вопрос: как это частички вещества могут находиться в непрерывном движении, если, например, стол сохраняет свою форму, и никакого движения не происходит? Стакан, чайник, карандаш – да любое твердое тело сохраняет свою форму неизменной. Как же может быть, что молекулы внутри этих тел двигаются? Это подтверждается наблюдениями и опытами. Впервые такое предположение было высказано Робертом Броуном в 1827 г.

Как-то раз он разглядывал в капле воды под микроскопом споры растений. Внезапно Броун увидел, что мельчайшие твердые крупинки, которые едва можно было разглядеть в капле воды, непрерывно дрожат и передвигаются с места на место. Он установил, что эти движения, никак не связаны ни с потоками в жидкости, ни с ее постепенным испарением, а присущи самим частичкам. Если проследить за одной частицей, то можно убедиться, что её движение совершенно хаотично и её траекторию невозможно предугадать. Частицы, двигающиеся таким образом, стали называть броуновскими, да и само движение было названо броуновским.

Происходит это вот из-за чего: молекулы, беспорядочно двигаясь, постоянно ударяют по броуновским частицам. Это приводит к тому, что частица постоянно смещается в разные стороны. При увеличении температуры молекулы начинают двигаться быстрее, соответственно, чаще ударяя броуновскую частицу, в результате чего эта частица тоже начинает двигаться быстрее. Самих молекул не видно при использовании обычного микроскопа, поэтому создается впечатление, будто бы броуновские частицы движутся сами по себе. Понять это можно вот каким способом: если представить, что дети играют в огромный мяч, который толкают друг другу. Стороннему наблюдателю, находящемуся на большом расстоянии будет казаться, что мяч двигается сам по себе, поскольку издалека детей видно не будет. Точно также и молекулы ударяют по броуновским частицам, заставляя их хаотически двигаться.

Именно тем, что молекулы постоянно находятся в движении, объясняется такое явление, как диффузия. Рассмотрим примеры диффузии. Например, это распространение запахов. Если открыть духи, то почти сразу можно почувствовать приятный запах. Также, если распылить какую-то едкую жидкость, немедленно можно почувствовать неприятный запах.

Каким же образом это происходит? Молекулы того или иного газа находятся в беспорядочном движении, как и молекулы воздуха. Постепенно они начинают перемешиваться, то есть, молекулы данного газа проникают в пространство между молекулами воздуха, и наоборот. Таким образом, через некоторое время часть молекул попадает в нос человеку, и он чувствует запах. Опираясь на бытовой опыт можно сделать вывод, что диффузия в газах происходит довольно быстро.

Тогда возникает вопрос: может ли диффузия происходить в жидкостях? Несомненно. В предыдущей теме был проведен опыт по окрашиванию воды. Каким образом вода окрасилась? Когда краска попала в воду, молекулы краски начали проникать в пространство между молекулами воды, и наоборот. В итоге, вода равномерно окрасилась. Можно отметить, что подобные явления окружают нас каждый день. Например, явлением диффузии является заварка чая или кофе.

Когда чай или кофе заливается кипятком, вода постепенно окрашивается. Важно отметить, что если вода недостаточно горячая, то и чай, и кофе будут плохо завариваться, значительно медленнее, чем обычно. Из этого следует вывод: повышение температуры способствует ускорению диффузии. И наоборот, понижение температуры замедляет диффузию.

Вопрос: в твердых телах может происходить диффузия? Припаркованная машина может стоять на асфальте, но при этом не перемешиваются же её шины с дорожным покрытием. Люди ходят в одежде, сидят на стуле и так далее, но никакого перемешивания не происходит. Не надо спешить с выводами. Дело в том, что диффузия в твердых телах проходит очень медленно, поэтому ссылаться на повседневный опыт не стоит. Тем не менее, существует ряд успешных экспериментов, подтверждающих, что диффузия проходит и в твердых телах. Например, если очень хорошо отполировать пластины свинца и золота и приложить их друг к другу, хорошенько придавив, то процесс диффузии будет происходить. Для того, чтобы свинец проник в золото всего на один миллиметр, понадобиться приблизительно 5 лет.

Другим примером является похожий эксперимент, который был проведен Уильямом Робертсом-Остином – английским металлургом XIX века.

Упражнение 1. Определите, что из перечисленных примеров является примером диффузии.

На рисунках представлено три процесса: переливание жидкости из одного сосуда в другой, нагревание жидкости и растворение кусочка сахара в чае. В каких случаях можно говорить о диффузии? Диффузия – это явление самопроизвольного взаимного проникновения молекул одного вещества между молекулами другого. Когда жидкость переливается из одной емкости в другую, то происходит простое разделение вещества, не перемешивая его молекулы с какими-то другими молекулами. Поэтому, первый случай не является примером диффузии. Нагревание жидкости – это тоже не пример диффузии. Несомненно, диффузия ускоряется с повышением температуры. Но здесь речь идет только об одной жидкости, а диффузия, по смыслу, может происходить только при участии двух и более веществ. В третьем примере, конечно, имеет место диффузия, ведь, молекулы сахара проникли в пространство между молекулами воды, таким образом, образовав раствор.

Упражнение 2. Определите, в каком случае диффузия будет происходить быстрее всего.

На рисунке изображены три разные ситуации. В каком случае диффузия произойдет быстрее? На рисунках представлен пример диффузии твердых тел и два примера диффузии жидкостей. В твердых телах диффузия происходит гораздо дольше, чем в жидкостях и, тем более, газах. Поэтому, с уверенностью можно говорить, что в первом случае диффузия будет происходить медленнее всего. В двух других случаях представлены примеры диффузии воды и масла. В одном из случаев, речь идет о воде комнатной температуры, а в другом – о кипящей воде. Поскольку более высокая температура способствует ускорению диффузии, можно сказать, что во втором случае диффузия будет происходить быстрее всего.

– Броуновское движение – это явление беспорядочного движения молекул.

– Диффузия – это явление, при котором происходит самопроизвольное взаимное проникновение молекул одного вещества между молекулами другого вещества.

– Диффузия довольно быстро протекает в газах и немного медленнее в жидкостях.

– В твердых телах диффузия протекает очень медленно.

– Диффузия происходит быстрее при более высокой температуре.

Источник

Диффузия в газах, жидкостях и твердых телах. Физика. 7 класс. Разработка урока

Цели урока:

Задачи урока: сформировать понятие о диффузии в жидкостях, твердых телах и газах; в целях развития научного мировоззрения учащихся показать роль физического эксперимента и наблюдений в физике; развивать умения выделять общие признаки явлений.

Тип урока: комбинированный.

ТСО: компьютер, экран, проектор.

Оборудование: (15 шт.)

Используемые источники:

Интернет-ресурсы:

Ход урока

1. Организационный момент (слайд 1)

Современному человеку нельзя обойтись без знаний основ физики, чтобы иметь правильное представление об окружающем нас мире. Сегодня вы много узнаете о законах природы, покорите еще одну вершину «Знаний». Джина «Познания», однажды выпущенного на волю, невозможно опять вернуть в пустую, заплесневелую бутылку. Да мы и не будем пытаться делать это. Пусть будет свободным, как полет вашей мысли и фантазии!

2. Повторение (фронтальный опрос) (слайды 2–6)

Пример №1: в 1 см³любого газа при нормальных условиях (0° С и 760 мм рт. ст.)содержится около 2,7 • 10 19 молекул.

Пример № 2: если взять число кирпичей, равное числу молекул в 1 см 3 газа при нормальных условиях, то, будучи плотно уложены, эти кирпичи покрыли бы поверхность всей суши земного шара слоем высотой 120 м, т. е. высотой, превосходящей почти в четыре раза высоту 10-этажного дома.

3. Новая тема (выполнение эксперимента и беседа с учащимися)

Задание № 1 (слайд 7)

Если открыть пробирку с ватой, смоченной нашатырным спиртом, то мы почувствуем запах, который распространяется по классу. Это происходит, потому что молекулы спирта постоянно движутся. Движение молекул нельзя обнаружить ни в лупу, ни в микроскоп. Двигаясь в воздухе, молекулы спирта сталкиваются с молекулами газов, входящих в состав воздуха (азотом, кислородом, углекислым газом). При этом они постоянно меняют направление движения, и беспорядочно перемещаясь, разлетаются по комнате. Поэтому, двигаясь очень быстро, молекулы спирта доносят запах до разных концов довольно медленно.

Задание № 2 (слайд 8)

При обсуждении результатов опыта внимание учащихся я обращаю на появление окрашенного пятна в форме круга, подтверждающего беспорядочное движение молекул марганца.

Вывод: Мы с вами знаем, что все тела состоят из отдельных частиц (молекул), между ними есть промежутки. Частицы движутся беспорядочно и хаотично. При своем движении молекулы марганца проникают в промежутки между молекулами воды.

В физике это явление названо диффузией (лат. diffusio — распространение, растекание, рассеивание).

ДИФФУЗИЯ – это взаимное проникновение молекул одного вещества в межмолекулярные промежутки другого вещества в результате их хаотического движения и столкновений друг с другом.

Сделайте вывод, где происходит диффузия быстрее: в газах или в жидкостях?

Диффузия в газах происходит быстрее, чем в жидкостях.

Как вы думаете, почему?

– Происходит ли диффузия в твердых телах? (Слайды 15, 16.)

В твердых телах диффузия происходит, но медленнее, чем в жидкостях. В твердых телах расстояния между частицами совсем маленькие. Они такие же, как размеры самих частиц. Проникновение через такие малые промежутки частиц другого вещества крайне затруднено и поэтому происходит очень медленно.

Запах духов, как известно, ощущается на довольно большом расстоянии. Объясняется это тем, что пары духов легко диффундируют в воздухе. Капли жидкого красителя в воде также легко диффундируют по всему сосуду. Намного труднее наблюдать диффузию в твёрдом теле. По этой причине изучение диффузии в твёрдых телах стало одним из наиболее интересных исследований в физике наших дней. Как и во многих других областях человеческой деятельности, в данном случае умение предшествовало знанию. Столетиями рабочие сваривали металлы и получали сталь нагреванием твёрдого железа в атмосфере углерода, не имея ни малейшего представления о происходящих при этом диффузионных процессах. Лишь в 1896 году началось научное изучение проблемы.

Английский металлург Вильям Роберте – Аустин в простом эксперименте измерил диффузию золота в свинце. Он наплавил тонкий диск золота на конец цилиндра из чистого свинца длиной в 1 дюйм (2,45 см), поместил этот цилиндр в печь, где поддерживалась температура около 200 °С, и держал его в печи 10 дней. Затем он разрезал цилиндр на тонкие диски и измерил количество золота, которое продиффундировало (проникло) в каждый срез свинца. Оказалось, что к «чистому» концу через весь цилиндр прошло вполне измеримое количества золота, в противоположном направлении, в глубь золотого диска, продиффундировал свинец. Роберте – Аустин обнаружил, что нагретый металл диффундирует в другой конец, когда они тесно прижаты друг к другу.

Известен опыт, в котором гладко отшлифованные пластины свинца и золота пролежали друг на друге 5 лет. За это время золото и свинец продиффундировали (проникли) друг в друга на расстояние около 1 мм.

Задание № 3 (слайд 17)

Сделайте вывод, как зависит скорость диффузии от температуры: «Чем выше температура, тем… проходит диффузия».

– Почему при более высокой температуре диффузия происходит быстрее?

Процесс диффузии ускоряется с увеличением температуры. Это происходит потому, что с увеличением температуры увеличивается скорость движения молекул. Таким образом, явление диффузии протекает по-разному при разной температуре: чем выше температура вещества, тем быстрее происходит диффузия.

– Давайте обобщим все то, о чем мы говорили на уроке (слайд 18).

Явление диффузии можно объяснить лишь в том случае, если считать, что:

Явление диффузии имеет важные проявления в природе, используется в науке и на производстве (слайд 19).

Воздух, как известно, представляет собой смесь газов. Однако вследствие диффузии на одной высоте от Земли состав атмосферы оказывается достаточно однородным.

Диффузия играет важную роль в питании растений, переносе питательных веществ, кислорода в организме человека и животных.

Она широко используется в пищевой промышленности при консервировании овощей и фруктов, при засолке огурцов.

Диффузия нашла применение в электронной промышленности. С ее помощью изготавливают многие полупроводниковые приборы.

Диффузия используется и при выплавке стали. Для придания стальным деталям значительной прочности их помещают в специальные печи, где, находясь в разогретом состоянии, они насыщаются углеродом. Атомы углерода проникают в поверхностный слой металла и повышают его прочность.

Порою диффузия бывает вредным и даже опасным явлением. Горючий природный газ, например, которым мы пользуемся дома для приготовления пищи, не имеет ни цвета, ни запаха, поэтому трудно сразу заметить его утечку. 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 зажжённой спички. Газ может вызвать и отравление людей.

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 его утечка.

Работа в группах (слайд 22)

Обсуждение результатов, полученных в группах.

4. Закрепление

Подумай и ответь (слайд 23)

Тест на усвоение понятия «диффузия» (слайд 24)

Условия прохождения диффузии:

а) имеются различные вещества;

б) между ними существует тесный контакт;

в) происходит самопроизвольное смешивание.

Закон прохождения диффузии— чем выше температура, тем быстрее происходит диффузия.
Рассмотрите следующие опыты и выберите ответ. Опыты:

А. Наблюдается диффузия, так как выполняются все условия.

Б. Диффузии нет, так как отсутствует условие а).

В. Диффузии нет, так как отсутствует условие б).

Г. Диффузии нет, так как отсутствует условие в).

Д. Опыт отражает закон диффузии.

ОТВЕТЫ: 1Д; 2А; 3В; 4Б; 5Г

Домашняя работа §9, домашний эксперимент.

(Слайд 25, гиперссылка.)

Выполнение учебного исследования по общему плану экспериментальной деятельности (эксперимент).

Лабораторная работа «Определение времени прохождения диффузии»

Цель:определить при каких температурах, высоких или низких, диффузия происходит быстрее.

Приборы:термометр, часы.

Тела и материалы: 2 стакана; марганцовокислый калий или медный купорос; вода.

Гипотеза: предполагаем, что при высоких температурах диффузия будет происходить быстрее.

Условия успешного проведения опыта:

Порядок выполнения:

Фиксирование информации:

При какой температуре диффузия происходит быстрее? Что происходит с молекулами вещества при нагревании, как изменяется их скорость и проникающая способность?

Опишите и сделайте вывод.

Источник

Диффузия: причины, особенности процесса, примеры в природе

Содержание:

Определение

Само слово «диффузия» латинского происхождения – «diffusio» в переводе с латыни означает «распространение, рассеивание». В физике под диффузией подразумевается процесс взаимопроникновения микрочастиц при соприкосновении разных материалов. Академическое определение того, что такое диффузия, звучит следующим образом: «Диффузия – это взаимное проникновение молекул одного вещества в межмолекулярные промежутки другого вещества вследствие их хаотичного движения и столкновения друг с другом». Какие свойства диффузии, причины ее возникновения, как проявляется этот процесс в разных веществах, об этом читайте далее.

Причины

Причиной возникновения диффузии является тепловое движение частиц (атомов, молекул, ионов и т. д.).

Чтобы более детально понять, как работают механизмы диффузии, рассмотрим это явление на конкретном примере. Если взять перманганат калия (в народе более известен как марганцовка) (KMnO₄) и растворить в воде (H₂O), то марганцовка в результате диссоциации распадется на K+ и MnO₄-. Также важно заметить что молекула воды поляризирована и существует в виде сцепленных ионов H+ – OH-.

Из-за растворения марганцовки в воде произойдет хаотическое перемещение ионов обоих веществ, вследствие чего сцепленные ионы воды поменяют свой цвет и освободят место для других, еще не реагировавших ионов. Вода поменяет свой окрас и получит специфические свойства. Между водой и марганцовкой совершится диффузия.

Вот так этот процесс выглядит схематически.

Причем движимые частицы во время диффузии, всегда распространяются равномерно по всему предоставленному объему. Сам процесс диффузии занимает определенное время.

Также важно знать, что явление диффузии происходит далеко не со всеми веществами. Например, если воду перемешать не с марганцовкой, а с маслом, то диффузии между ними не будет, так как молекулы масла электрически нейтральны. Образованию какого-то соединения с молекулами воды помешают сильные связи внутри молекулы масла.

Еще стоит заметить, что скорость диффузии значительно увеличится при увеличении температуры, что вполне логично, ведь с увеличением температуры возрастет скорость движения частиц внутри вещества и как следствие, повышается шанс их проникновения в молекулы другого вещества.

Формула

Процесс диффузии в двухкомпонентной системе записывается при помощи закона Фика, и соответствующего уравнения:

В этом уравнении J – плотность материала, D – коэффициент диффузии, а ac/dx – градиент концентрации двух веществ.

Коэффициентом диффузии называют физическую величину, которая численно равна количеству диффундирующего вещества, которое проникает за единицу времени через единицу поверхности, если разность плотностей на двух поверхностях, находящихся на расстоянии равном единице длины, равна единице. Важно заметить, что коэффициент диффузии зависит от температуры.

В твердых телах

В твердых телах диффузия происходит очень медленно, если вообще происходит. Ведь для твердых тел характерно наличие кристаллической решетки, а все частицы расположены упорядочено.

Примером диффузии твердых тел может быть золото и свинец. Расположенные на расстояние 1 метра друг от друга, при комнатной температуре в 20 С, эти вещества будут понемногу проникать друг в друга, но будет это все идти очень медленно, подобная диффузия станет заметной не ранее чем через 4-5 лет.

В жидкостях

Скорость протекания диффузии в жидкостях в разы выше, нежели в твердых телах. Связи между частицами в жидкости гораздо слабее (обычно их энергии хватает максимум на образование капель), и взаимному проникновению частиц в молекулы двух веществ ничто не мешает.

Правда то, как быстро будет проходить диффузия, зависит от характера и консистенции жидкостей, в более густых растворах она происходит медленнее, ведь чем гуще жидкость, тем более сильные в ней связи между молекулами и тем труднее молекулам и частицам проникать друг в друга. Например, смешивание двух жидких металлов может занять несколько часов, в то время как смешивание воды и марганцовки (из примера выше) осуществляется за минуту.

В газах

В газах диффузия происходит еще быстрее, чем в жидкости, связи между частицами газообразных веществ практически отсутствуют, и никак не сцепленные частицы легко перемешиваются друг с другом, проникая в молекулы других газов. Небольшие коррективы при диффузии газов может вносить разве только гравитация.

Примеры в окружающем мире

Значимый биологический процесс – фотосинтез осуществляется, в том числе и при помощи диффузии: как мы знаем, благодаря энергии солнечного света вода разлагается хлорофиллами на составляющие, кислород, который выделяется при этом, попадает в атмосферу и поглощается всеми живыми организмами. Так вот, и сам процесс поглощения кислорода человеком и животными, и обмен веществ у растений, все это поддерживается диффузией, без которой не могла бы существовать сама Жизнь.

Но это в глобальном плане, в более простых вещах, мы можем наблюдать диффузию:

Таких примером можно приводить еще много.

Видео

И в завершение образовательное видео по теме нашей статьи.

Автор: Павел Чайка, главный редактор журнала Познавайка

При написании статьи старался сделать ее максимально интересной, полезной и качественной. Буду благодарен за любую обратную связь и конструктивную критику в виде комментариев к статье. Также Ваше пожелание/вопрос/предложение можете написать на мою почту pavelchaika1983@gmail.com или в Фейсбук, с уважением автор.

Эта статья доступна на английском языке – Diffusion.

Источник