Aby cukier w herbacie rozpuścił się szybciej, należy ją wymieszać. Ale okazuje się, że jeśli nie zostanie to zrobione, po pewnym czasie cały cukier się rozpuści, a herbata stanie się słodka. W trakcie tej lekcji dowiesz się, że takie spontaniczne mieszanie się substancji jest spowodowane ciągłym chaotycznym ruchem cząsteczek, a zjawisko to nazywa się dyfuzją.
Temat: Wstępne informacje o budowie materii
Lekcja: Dyfuzja
W naszym codziennym życiu czasami nie zauważamy niektórych zjawisk fizycznych. Na przykład ktoś otworzył butelkę perfum, a my, nawet będąc w dużej odległości, poczujemy ten zapach. Wchodząc po schodach do naszego mieszkania, czujemy zapach gotowanego w domu jedzenia. Wrzucamy torebkę liści herbaty do szklanki gorącej wody i nawet nie zauważamy, jak liście herbaty zabarwiają całą wodę w filiżance.
Ryż. 1. Chociaż liście herbaty znajdują się w torebce herbaty, barwią całą wodę w filiżance.
Wszystkie te zjawiska są związane z tym samym zjawiskiem fizycznym, które nazywa się dyfuzją. Dzieje się tak, ponieważ cząsteczki jednej i drugiej substancji wzajemnie się przenikają.
Dyfuzja to spontaniczne wzajemne przenikanie się cząsteczek jednej substancji w przestrzenie między cząsteczkami innej.
W tej definicji ważne jest każde słowo: zarówno spontaniczne, jak i wzajemne, przenikające i molekuły.
Jeśli wlejesz do naczynia roztwór siarczanu miedzi (niebieski) i ostrożnie, bez mieszania, wlejesz czystą wodę, zauważysz, że początkowo dość wyraźna granica między wodą a siarczanem miedzi z czasem coraz bardziej się zaciera. Jeśli eksperyment będzie kontynuowany przez tydzień, ta granica całkowicie zniknie, a ciecz w naczyniu nabierze równomiernego zabarwienia.
Ryż. 2. Dyfuzja roztworu siarczanu miedzi w wodzie
Dyfuzja w gazach zachodzi znacznie szybciej. Weź cylindryczne szklane naczynie bez dna i przymocuj pionowe paski uniwersalnego papieru wskaźnikowego do jego wewnętrznej powierzchni. Paski te mają zdolność zmiany koloru pod wpływem oparów niektórych substancji. Wlej niewielką ilość takiej substancji na dno kubka i umieść w nim cylindryczne naczynie. Zobaczymy, że najpierw paski wskaźnikowe zmienią kolor w dolnej części, ale po 10-20 sekundach paski nabiorą jasnoniebieskiego koloru na całej swojej długości. Oznacza to, że powietrze i substancja gazowa spontanicznie się ze sobą wymieszały, to znaczy nastąpiło wzajemne przenikanie cząsteczek jednej substancji w szczeliny między cząsteczkami drugiej, co oznacza, że nastąpiła dyfuzja.
Ryż. 3. W wyniku dyfuzji oparów substancji lotnej kolor pasków papierka wskaźnikowego zmienia się najpierw u dołu, a następnie na całej długości
Okazuje się, że można wpływać na szybkość dyfuzji niektórych substancji. Aby to sprawdzić, weźmy dwie szklanki, jedną z gorącą, a drugą z zimną wodą. Wlej taką samą ilość kawy rozpuszczalnej do obu szklanek. W jednej ze szklanek dyfuzja będzie przebiegać znacznie szybciej. Jak mówi doświadczenie życiowe, dyfuzja zachodzi tym szybciej, im wyższa jest temperatura dyfuzyjnych substancji.
Ryż. 4. Woda w prawej szklance ma wyższą temperaturę, dzięki czemu rozpuszczalna kawa rozpuszcza się w niej szybciej
Im wyższa temperatura substancji, tym szybsza dyfuzja.
Czy dyfuzja może zachodzić w ciałach stałych? Na pierwszy rzut oka nie. Ale doświadczenie daje inną odpowiedź na to pytanie. Jeśli powierzchnie dwóch różnych metali (na przykład ołowiu i złota) są dobrze wypolerowane i mocno dociśnięte do siebie, to wzajemne przenikanie cząsteczek metalu można zarejestrować na głębokość około jednego milimetra. To prawda, że zajmie to kilka lat.
Ryż. 5. Dyfuzja w ciałach stałych jest bardzo powolna
Dyfuzja może zachodzić w gazach, cieczach i ciałach stałych, ale czas potrzebny do zajścia dyfuzji znacznie się różni.
Szybkość dyfuzji można zwiększyć, zwiększając temperaturę substancji dyfuzyjnych.
Bibliografia
1. Peryszkin A.V. Fizyka. 7 komórek - wyd. 14, stereotyp. – M.: Drop, 2010.
2. Peryszkin A.V. Zbiór problemów z fizyki, kl. 7 - 9: wyd. 5, stereotyp. - M: Wydawnictwo "Egzamin", 2010.
3. Łukaszik VI, Iwanowa E.V. Zbiór problemów z fizyki dla klas 7 - 9 placówek oświatowych. – 17 wyd. - M.: Edukacja, 2004.
1. Pojedynczy zbiór Cyfrowych Zasobów Edukacyjnych ().
2. Pojedynczy zbiór Cyfrowych Zasobów Edukacyjnych ().
Praca domowa
Łukaszik VI, Iwanowa E.V. Zbiór zadań z fizyki dla klas 7 - 9
slajd 1
1
W jednej chwili by zobaczyć wieczność Świat ogromny - w ziarnku piasku, W jednym świecie - nieskończoność I niebo w kielichu kwiatu. W. Blake'a
slajd 2
Cząsteczka to najmniejsza cząsteczka substancji.
Michaił Wasiljewicz Łomonosow w 1745 r. rozróżnił pojęcia atomu i cząsteczki.
Cząsteczki składają się z atomów.
Atom to najmniejsza cząsteczka pierwiastka chemicznego.
slajd 3
3
Wszystkie substancje składają się z maleńkich cząstek zwanych cząsteczkami.
Pomiędzy tymi cząstkami są odstępy.
slajd 4
W przyrodzie substancje występują w 3 stanach skupienia: stały, ciekły, gazowy.
Rozmiar cząsteczki wynosi około 10‾¹ºm
Powtórzmy
slajd 5
Co stoi na przeszkodzie, by siedmioklasistka Vasya, przyłapana przez dyrektora szkoły w miejscu palenia, rozpadła się na osobne molekuły i zniknęła bez wyjątku z pola widzenia?
slajd 6
Ręka złotego posągu w starożytnej greckiej świątyni, którą całowali parafianie, wyraźnie straciła na wadze na przestrzeni dziesięcioleci. Księża w panice: kto ukradł złoto? A może to cud, znak?
Slajd 7
Dlaczego podeszwy butów się zużywają, a łokcie kurtek robią dziury?
Slajd 8
Temat lekcji: Dyfuzja w gazach, cieczach i ciałach stałych.
Slajd 9
Cele i zadania lekcji
Badanie ruchu cząsteczek zachodzących w różnych stanach skupienia Poznanie mechanizmu dyfuzji w różnych temperaturach materii.
Slajd 10
ruchy Browna
1773-1858
Robert Brown w 1827 roku, obserwując zawiesinę w postaci pyłku roślinnego pod mikroskopem, odkrył, że cząstki są w ciągłym ruchu, opisując złożone trajektorie.
slajd 11
Dyfuzja (łac. dyfuzja-dystrybucja, rozprzestrzenianie się, dyspersja). Jest to zjawisko polegające na wzajemnym przenikaniu się cząsteczek jednej substancji między cząsteczkami innej.
Schemat dyfuzji przez błonę półprzepuszczalną
Dyfuzja
slajd 12
zauważony
Dyfuzja
W gazach
w płynach
W ciałach stałych
slajd 13
Rozważ dyfuzję w gazach
Przyczyny i wzorce rozprzestrzeniania się
Slajd 14
GAZY
Rozprzestrzenianie się zapachów jest możliwe dzięki ruchowi cząsteczek substancji. Ruch ten jest ciągły i nieregularny. Cząsteczki dezodorantu, zderzając się z cząsteczkami gazów tworzących powietrze, wielokrotnie zmieniają kierunek ruchu i poruszając się w sposób losowy rozpraszają się po całym pomieszczeniu.
slajd 15
Cząsteczki substancji znajdują się w ciągłym i przypadkowym ruchu.
Powód rozpowszechniania:
slajd 16
Olejki aromatyczne, żywice mają szerokie zastosowanie w przemyśle perfumeryjnym, aromaterapii leczniczej, na potrzeby kościoła.
Dyfuzja gazów w gazach
Slajd 17
Kogo z nas nie uderzył zapach wiosennej nocy? Czuliśmy zapachy czeremchy, akacji, bzu. Cząsteczki substancji zapachowej kwiatów rozpraszają się w powietrzu.
Dyfuzja gazów w gazach
Slajd 18
Najliczniejszym sposobem, w jaki owady komunikują się, są chemikalia węchowe, których zwierzęta używają do ochrony lub zwrócenia na siebie uwagi. Przenoszenie zapachów odbywa się na zasadzie dyfuzji.
Dyfuzja gazów w gazach
Slajd 19
Atrakcyjne feromony, hormony.
Dyfuzja gazów w gazach
Zapachy
motyle
robaki
fretki
roztocza
Skunksy
odpychający
Repelenty
Slajd 20
Zastosowanie dyfuzji Dyfuzja we florze i faunie
Zapach pluskiew jest obrzydliwy, a biedronki wydzielają żółtą, śmierdzącą, trującą ciecz.
Ośmiornica uwalnia plamę atramentu, aby ukryć się przed wrogiem
Skunk odstrasza swoich przestępców
slajd 21
Rozwiązujemy problemy
Zadania dla miłośników biologii. 1. Większość robaków, biedronek, niektórych chrząszczy liściastych uzbraja się dla ich ochrony: zapach robaków jest obrzydliwy, a biedronki wydzielają żółtą trującą ciecz. ?? Wyjaśnij przenoszenie zapachów 2. Ryby oddychają tlenem rozpuszczonym w wodach rzek, jezior i mórz. W jakim procesie fizycznym tlen z atmosfery przedostaje się do wody?
slajd 22
Wszyscy wiedzą, jak przydatne są cebule. Ale kiedy go kroiliśmy, roniliśmy łzy. Wyjaśnij dlaczego?
Wynika to ze zjawiska dyfuzji. Powodem jest lotna substancja łzawiąca, która powoduje łzy. Rozpuszcza się w płynie błony śluzowej oka, uwalniając kwas siarkowy, który podrażnia błonę śluzową oka.
slajd 23
Lasy są płucami planety, pomagają oddychać wszystkim żywym istotom. Powietrze miejskie zawiera wiele substancji gazowych (tlenek węgla, dwutlenek węgla, tlenki azotu, siarka) powstających w wyniku działalności kompleksu przemysłowego, komunikacyjnego i użyteczności publicznej. Proces oczyszczania powietrza przez las można wytłumaczyć dyfuzyjnie.
Dyfuzja gazów w gazach
slajd 24
W ogóle nie mają narządów oddechowych. Tlen rozpuszczony w wodzie jest wchłaniany przez skórę, a rozpuszczony dwutlenek węgla jest wydalany w ten sam sposób.
Najprostszą formę oddychania mają meduzy i robaki.
Slajd 25
Rola dyfuzji dla człowieka
Dzięki dyfuzji tlen z płuc przedostaje się do krwi człowieka, a z krwi do tkanek
slajd 26
Slajd 27
Dlaczego płuca palacza różnią się od płuc osoby niepalącej?
Slajd 28
Astronauci odpinają śpiwory przymocowane do ścian statku kosmicznego. Równocześnie fundamentalne znaczenie ma lokalizacja „łóżek” – są one przymocowane w bliskiej odległości od wentylatorów, aby zapewnić astronautom stały dopływ świeżego powietrza podczas snu. W przeciwnym razie pracownicy stacji są narażeni na ryzyko uduszenia się w ograniczonej przestrzeni dwutlenkiem węgla, który wytwarzają, lub będą cierpieć na migreny z powodu głodu tlenu.
Slajd 29
Naturalny gaz palny jest bezbarwny i bezwonny.
Dyfuzja gazów w gazach
W wyniku dyfuzji gaz rozprzestrzenia się po całym pomieszczeniu, tworząc mieszaninę wybuchową.
slajd 30
Wielokrotnie obserwowaliśmy, jak dym z pożaru, dymiących kominów wiejskich domów, elektrociepłowni, a podnosząc go wysoko, w miarę unoszenia się przestaje być widoczny. Jest to konsekwencja dyfuzji cząsteczek dymu między cząsteczkami powietrza
Dyfuzja gazów w gazach
Slajd 31
Czteroletnia Masza podkradła się za mamą za jej plecami do lustra i wylała jej na głowę trzy butelki francuskich perfum. Jak mama, siedząc tyłem do Maszy, odgadła, co się stało?
slajd 32
Czy możliwa jest dyfuzja w cieczach?
Slajd 33
NASZ EKSPERYMENT
Zapraszamy na herbatę.
slajd 34
Do przygotowania herbaty używa się kwiatów i liści niektórych roślin: jaśminu, róży, lipy, oregano, mięty, tymianku i innych.
DYFUZJA CIECZY W CIECZY
Slajd 35
DYFUZJA CIECZY W CIECZY
HERBATA
Zielony
Czarny
W stanie stałym kolor herbaty zależy od sposobu przetwarzania liści.
Parzenie herbaty opiera się na dyfuzji cząsteczek wody i substancji barwiących rośliny.
zjeżdżalnia 36
PŁYNY
1. Cząsteczki poruszają się losowo 2. Cząsteczki substancji mieszają się 3. Przyczyną dyfuzji w cieczach jest ruch cząsteczek
Wnioski:
Slajd 37
Aby nasycić kolor buraków, do wody dodaje się kwas octowy.
Slajd 38
CIAŁA STAŁE
W ciałach stałych odległości między cząsteczkami są bardzo małe. Są takie same jak rozmiary samych cząsteczek. Penetracja przez tak małe szczeliny cząsteczek innej substancji jest niezwykle trudna i dlatego dyfuzja jest bardzo powolna.
Slajd 39
Zapach soli, zapach jodu. Nieprzeniknione i dumne, Kamienne rafy pyskowe Odsłaniają się z wody… Y. Drunina Co roku do atmosfery dostaje się 2 miliardy ton soli.
Slajd 40
Smog to żółta mgła, która zatruwa powietrze, którym oddychamy. Smog jest główną przyczyną chorób układu oddechowego i serca, osłabienia odporności człowieka.
DYFUZJA CIAŁA STAŁEGO W GAZACH
Slajd 41
Rozwijaj się w domu; samochody trąbią; Dym fabryczny wisi na wszystkich krzakach; Samoloty rozkładają skrzydła w chmurach
Móc. Burzowe chmury strzępią się. Zieleń nieożywiona usycha. Wszystkie silniki i klaksony - A liliowy zapach benzyny
Proces dyfuzji odgrywa dużą rolę w zanieczyszczeniu powietrza, rzek, mórz i oceanów.
Szkodliwe rozprzestrzenianie się
Slajd 42
DYFUZJA CIAŁA STAŁEGO W GAZACH
Cząstki znalezione w powietrzu miejskim. Pyłki roślinne Mikroorganizmy i ich zarodniki Suchy piasek Pył węglowy Pył cementowy Nawozy Azbest Kadm Rtęć Ołów Tlenek żelaza Tlenek miedzi
Promień cząstek, µm 20 - 60 1 - 15 200 - 2000 10 - 400 10 - 150 30 - 800 10 - 200 1-5 0,5-1 1-5 0,1-1 0,1-1
zjeżdżalnia 43
Sposoby rozwiązania problemu środowiskowego związanego z oczyszczaniem powietrza: 1) filtry na rurach wydechowych; 2) uprawa roślin wzdłuż dróg i wokół przedsiębiorstw pochłaniających szkodliwe substancje.
Dyfuzja gazów w gazach
Klon
Lipa
Topola
Czy kiedykolwiek widziałeś hordy małych irytujących muszek losowo rojących się nad głową? Czasami wydaje się, że wydają się wisieć nieruchomo w powietrzu. Z jednej strony ten rój jest nieruchomy, z drugiej owady w jego wnętrzu nieustannie poruszają się w prawo, potem w lewo, potem w górę, to w dół, ciągle zderzając się ze sobą i rozpraszając ponownie w tej chmurze, jakby niewidzialna siła trzymała oni razem.
Ruchy molekuł mają podobny chaotyczny charakter, podczas gdy ciało zachowuje stabilny kształt. Ten ruch nazywa się ruchem termicznym cząsteczek.
ruchy Browna
W 1827 roku słynny brytyjski botanik Robert Brown użył mikroskopu do zbadania zachowania mikroskopijnych cząstek pyłku w wodzie. Zwrócił uwagę na fakt, że cząsteczki nieustannie poruszają się w chaotycznym, sprzecznym z logiką porządku, a ten przypadkowy ruch nie zależy ani od ruchu cieczy, w której się znajdują, ani od jej parowania. Najmniejsze cząsteczki pyłku opisywały złożone, tajemnicze trajektorie. Co ciekawe, intensywność takiego ruchu nie maleje z czasem i nie jest związana z właściwościami chemicznymi ośrodka, a jedynie wzrasta, gdy maleje lepkość tego ośrodka lub wielkość poruszających się cząstek. Ponadto temperatura ma ogromny wpływ na prędkość ruchu cząsteczek: im jest wyższa, tym szybciej poruszają się cząsteczki.
Dyfuzja
Dawno temu ludzie zdali sobie sprawę, że wszystkie substancje na świecie składają się z najmniejszych cząstek: jonów, atomów, cząsteczek, a między nimi są przerwy, a cząstki te nieustannie i losowo się poruszają.
Dyfuzja jest konsekwencją ruchu termicznego cząsteczek. Przykłady możemy zaobserwować niemal wszędzie w życiu codziennym: zarówno w życiu codziennym, jak iw przyrodzie. To rozprzestrzenianie się zapachów, klejenie różnych ciał stałych, mieszanie płynów.
Z naukowego punktu widzenia dyfuzja jest zjawiskiem przenikania cząsteczek jednej substancji w szczeliny między cząsteczkami innej substancji.
Gazy i dyfuzja
Najprostszym przykładem dyfuzji w gazach jest dość szybkie rozprzestrzenianie się zapachów (zarówno przyjemnych, jak i mniej przyjemnych) w powietrzu.
Dyfuzja w gazach może być niezwykle niebezpieczna, z powodu tego zjawiska zatrucia tlenkiem węgla i innymi toksycznymi gazami przebiegają błyskawicznie.
Jeśli dyfuzja w gazach zachodzi szybko, najczęściej w ciągu kilku sekund, to dyfuzja w cieczach trwa całe minuty, a czasem nawet godziny. To zależy od gęstości i temperatury.
Jednym z przykładów jest bardzo szybkie rozpuszczanie soli, alkoholi i kwasów, które w krótkim czasie tworzą jednorodne roztwory.
Dyfuzja w ciałach stałych
W ciałach stałych dyfuzja jest najtrudniejsza; w zwykłej temperaturze pokojowej lub zewnętrznej jest niezauważalna. We wszystkich współczesnych i starych podręcznikach szkolnych eksperyment z ołowianymi i złotymi płytkami jest opisany jako przykład. Eksperyment ten wykazał, że dopiero po ponad czterech latach znikoma ilość złota przeniknęła do ołowiu, a ołów przeniknął do złota na głębokość nie większą niż pięć milimetrów. Ta różnica wynika z faktu, że gęstość ołowiu jest znacznie większa niż gęstość złota.
W konsekwencji szybkość i intensywność dyfuzji zależy nie tylko od gęstości substancji i szybkości chaotycznego ruchu cząsteczek, a prędkość z kolei zależy od temperatury. Dyfuzja zachodzi intensywniej i szybciej w wyższych temperaturach.
Przykłady dyfuzji w życiu codziennym
Nawet nie myślimy o tym, że codziennie niemal na każdym kroku spotykamy się ze zjawiskiem dyfuzji. Dlatego zjawisko to jest uważane za jedno z najbardziej znaczących i interesujących w fizyce.
Jednym z najprostszych przykładów dyfuzji w życiu codziennym jest rozpuszczanie cukru w herbacie lub kawie. Jeśli do szklanki wrzącej wody wrzucimy kostkę cukru, to po chwili zniknie bez śladu, a nawet objętość płynu praktycznie się nie zmieni.
Jeśli dobrze się rozejrzysz, możesz znaleźć wiele przykładów dyfuzji, które ułatwiają nam życie:
- rozpuszczanie proszku do prania, nadmanganianu potasu, soli;
- rozpylanie odświeżaczy powietrza;
- aerozole do gardła;
- zmywanie brudu z powierzchni bielizny;
- mieszanie kolorów przez artystę;
- wyrabianie ciasta;
- gotowanie bogatych bulionów, zup i sosów, słodkich kompotów i napojów owocowych.
W 1638 roku, wracając z Mongolii, ambasador Wasilij Starkow podarował rosyjskiemu carowi Michaiłowi Fiodorowiczowi w prezencie prawie 66 kg suszonych liści o dziwnym ostrym aromacie. Moskale, które nigdy jej nie próbowały, bardzo polubiły tę suszoną roślinę i nadal chętnie ją stosują. Czy go rozpoznałeś? Oczywiście jest to herbata, która parzona jest dzięki zjawisku dyfuzji.
Przykłady dyfuzji w otaczającym świecie
Rola dyfuzji w otaczającym nas świecie jest bardzo duża. Jednym z najważniejszych przykładów dyfuzji jest krążenie krwi w organizmach żywych. Tlen z powietrza dostaje się do naczyń włosowatych znajdujących się w płucach, następnie rozpuszcza się w nich i rozprzestrzenia po całym ciele. Z kolei dwutlenek węgla dyfunduje z naczyń włosowatych do pęcherzyków płucnych. Składniki odżywcze uwolnione z pożywienia na drodze dyfuzji wnikają do komórek.
U gatunków roślin zielnych dyfuzja zachodzi przez całą ich zieloną powierzchnię, u większych roślin kwitnących przez liście i łodygi, u krzewów i drzew przez pęknięcia w korze pni i gałęzi oraz soczewicy.
Ponadto przykładem dyfuzji w otaczającym świecie jest pobieranie wody i rozpuszczonych w niej minerałów przez system korzeniowy roślin z gleby.
To dyfuzja jest powodem, dla którego skład dolnej warstwy atmosfery jest niejednorodny i składa się z kilku gazów.
Niestety w naszym niedoskonałym świecie jest bardzo mało osób, które nie wiedzą, czym jest zastrzyk, zwany też „zastrzykiem”. Ten rodzaj bolesnego, ale skutecznego leczenia również opiera się na zjawisku dyfuzji.
Zanieczyszczenia środowiska: gleba, powietrze, zbiorniki wodne to również przykłady dyfuzji w przyrodzie.
Topniejące białe obłoki na błękitnym niebie, tak uwielbiane przez poetów wszystkich czasów - to także dyfuzja znana każdemu gimnazjalistom i licealistom!
Tak więc dyfuzja jest czymś, bez czego nasze życie byłoby nie tylko trudniejsze, ale wręcz niemożliwe.
Pomimo tego, że ciało stałe charakteryzuje się uporządkowanym układem atomów w sieci krystalicznej, ruch atomów jest w nim również możliwy. Ruchy termiczne, które mają głównie charakter małych drgań, w niektórych przypadkach prowadzą do tego, że atomy całkowicie opuszczają swoje miejsca w sieci. O możliwości takiego rozpadu atomów świadczy już fakt, że ciała stałe mogą parować. To prawda, że podczas parowania atomy odrywają się w warstwie powierzchniowej, ale nie ma podstaw do twierdzenia, że takie odłączanie jest niemożliwe także wewnątrz ciała.
Właśnie dlatego, że atomy opuszczają swoje miejsca w miejscach sieci, w kryształach powstają pewne defekty, takie jak defekty typu Schottky'ego i Frenkla. Dyfuzja w ciałach stałych jest również związana z tymi rozpadami atomów i ich późniejszym ruchem w krysztale.
Podobnie jak w gazach, cząstki w ciałach stałych mają różne energie ruchu termicznego. I w każdej temperaturze istnieje pewna część atomów, których energia znacznie przekracza średnią i jest wystarczająco duża, aby mogły opuścić swoje miejsce w sieci i przejść do nowej pozycji. Im wyższa temperatura, tym więcej takich atomów, a zatem współczynnik dyfuzji gwałtownie wzrasta wraz ze wzrostem temperatury (zgodnie z prawem wykładniczym). Ale ponieważ liczba atomów o wystarczająco wysokiej energii jest zawsze niewielka (jeśli temperatura jest znacznie niższa niż temperatura topnienia), proces dyfuzji w ciele stałym okazuje się procesem jeszcze wolniejszym niż w gazach i cieczach. Na przykład współczynnik dyfuzji miedzi w złoto przy
Równa się 300 °C Dla porównania zaznaczmy, że podczas dyfuzji wodnego roztworu alkoholu metylowego do wody a zachodzi dyfuzja argonu do helu, niemniej dyfuzja w ciałach stałych odgrywa ważną rolę w wielu procesach. Obserwuje się to zarówno w substancjach jednoskładnikowych (w tym przypadku mówi się o samodyfuzji), jak iw substancjach wieloskładnikowych, w monokryształach i polikryształach.
Doświadczenie (w szczególności badania z wykorzystaniem tzw. atomów znakowanych) pokazuje, że dyfuzja w ciałach stałych odbywa się głównie na trzy sposoby:
1. Sąsiednie atomy w sieci zamieniają się miejscami w sieci, jak pokazano na ryc. 198. Ta wymiana może na przykład wynikać z obrotu pary atomów biorących w niej udział wokół punktu środkowego.
2. Atom znajdujący się na swoim „własnym” miejscu w miejscu sieci opuszcza go i osiada w szczelinach, a następnie migruje do szczelin (ryc. 199).
3. Atomy przemieszczają się z miejsc sieciowych do wolnych miejsc, tzw. wolnych miejsc (ryc. 200). Ten ostatni proces jest możliwy tylko w kryształach wadliwych, ponieważ wolne miejsca są oczywiście defektami kryształów. Oczywiście przejście atomów do wolnych miejsc jest równoznaczne z przemieszczeniem samych wolnych miejsc w kierunku przeciwnym do kierunku ruchu atomów.
Ostatni mechanizm dyfuzji najwyraźniej odgrywa najważniejszą rolę. Do jego realizacji w bryle musi istnieć gradient gęstości wakatów, tak aby atomy (a tym samym wakaty) poruszały się częściej w jednym kierunku niż w innym. W polikryształach ważną rolę odgrywa wypełnianie wolnych miejsc na granicach kryształów (ziarn). Najwyraźniej w procesie tworzenia wakatów, bez których dyfuzja jest niemożliwa, ważną rolę odgrywają dyslokacje.
W eksperymentalnym badaniu dyfuzji w ciałach stałych badane substancje są doprowadzane do niezawodnego kontaktu ze sobą, a następnie utrzymywane przez długi czas w takiej lub innej temperaturze eksperymentu. Po takiej ekspozycji usuwane są kolejno cienkie warstwy prostopadłe do kierunku dyfuzji i badane są stężenia dyfundowanych substancji w zależności od odległości od punktu styku.
Ostatnio szeroko stosowane są sztuczne substancje radioaktywne, których obecność jest łatwo wykrywana przez ich promieniowanie.
Metoda ta (metoda znakowanych atomów) umożliwia również badanie zjawiska samodyfuzji, czyli dyfuzji atomów tego ciała w ciele stałym.
Ogólne prawo dyfuzji w ciałach stałych jest takie samo jak w gazach i cieczach. To jest prawo Ficka, o którym wspominaliśmy więcej niż raz.
Jeśli chodzi o współczynnik dyfuzji, jego wyrażenie można uzyskać z rozważań podobnych do tych podanych na stronie 318 w związku z zagadnieniem dyfuzji w cieczach. Przecież dyfuzja w ciele stałym odbywa się również poprzez skoki atomów z ich pozycji równowagi w węzłach sieci krystalicznej. Ale teraz możemy z całą pewnością powiedzieć o odległości skoku, że jest ona równa stałej sieci a.
Należy jednak pamiętać, że w ramach mechanizmu dyfuzji wakatów atom z miejsca sieci może wykonać skok tylko wtedy, gdy sąsiednie miejsce jest puste, jeśli jest to wakat, jak pokazano na ryc. 200. Ale nawet w takim sąsiedztwie atom potrzebuje dodatkowej energii, aby nastąpił skok w wolne miejsce. W końcu w miejscu sieci potencjalna energia atomu jest minimalna. Dlatego każde przemieszczenie atomu z miejsca, w tym przemieszczenie do sąsiedniego wakatu, wymaga dodatkowej energii, którą może otrzymać z pewnym prawdopodobieństwem w wyniku fluktuacji. To prawdopodobieństwo, jak zawsze, określa prawo Boltzmanna:
Tutaj jest energia potrzebna do skoku z miejsca sieci, energia przesunięcia atomu w pustą przestrzeń.
Zgodnie z rozważaniami podanymi na stronie 318, współczynnik samodyfuzji w bryle można zapisać jako:
gdzie a jest stałą sieciową i średnim czasem przebywania atomu w miejscu sieci. Czas ten jest oczywiście tym krótszy, im większe prawdopodobieństwo powstania wakatu w pobliżu atomu i tym większe prawdopodobieństwo
Na stronie 319 widzieliśmy, że prawdopodobieństwo powstania wakatu wynosi Teraz widzimy, że prawdopodobieństwo, że atom otrzymuje energię, wynosi Dlatego wyrażenie na współczynnik dyfuzji można zapisać jako:
Mnożnik (tzw. mnożnik przedwykładniczy) jest stałą cechą danej substancji. Wartość równa sumie energii powstania wakatu i energii przemieszczenia atomu w wakat nazywana jest energią aktywacji dyfuzji i jest również wartością charakterystyczną dla substancji.
Współczynnik dyfuzji w ciałach stałych jest bardzo mały. Dla np. złota w temperaturze pokojowej jest on rzędu wielkości, nawet w pobliżu temperatury topnienia złota osiąga wartość zaledwie 0. Pokazuje to, jak silnie współczynnik dyfuzji zależy od temperatury. 1
Niewielkość współczynnika dyfuzji w ciałach stałych tłumaczy się tym, że aby nastąpił skok dyfuzyjny atomu do wakatu, konieczne jest, aby dwa, ogólnie rzecz biorąc, mało prawdopodobne zdarzenia wystąpiły niemal jednocześnie: aby powstał wakat blisko atomu i aby sam atom otrzymał w wyniku fluktuacji energię wystarczającą do wykonania skoku.
Przy innych mechanizmach dyfuzji, przy dyfuzji jednych substancji do innych, współczynnik dyfuzji oblicza się inaczej. Czytelnik dowie się o tym ze specjalnych kursów. Ale we wszystkich przypadkach współczynniki dyfuzji są małe w wartościach bezwzględnych. Tak więc na przykład współczynnik dyfuzji siarki w żelazie, nawet w temperaturze zbliżonej do ok. Ale pomimo niewielkich współczynników dyfuzji w ciałach stałych, rola dyfuzji w ciałach stałych jest bardzo duża. To dyfuzja zapewnia takie zjawiska i procesy w ciałach stałych, jak wyżarzanie w celu wyeliminowania niejednorodności stopów, nasycanie powierzchni części węglem, azotem itp., spiekanie proszków i inne procesy obróbki metali.
Dyfuzja w gazach, cieczach i ciałach stałych Przygotował: uczeń 10 „a” Koryakina Anastasia Nauczyciel: Malysheva V.I. MKOU „Liceum Nr 1 poz. Ciepły"
Cel pracy Aby dowiedzieć się, czym jest dyfuzja Jak wpływa na środowisko Dowiedz się o dyfuzji w gazach i cieczach Jakie są korzyści i szkody dyfuzji
Ruch cząstek materii Najmniejsze cząsteczki dowolnej substancji, czy to gazu, cieczy czy ciała stałego, są w ciągłym, przypadkowym ruchu. Co więcej, im szybciej poruszają się cząstki, tym wyższa jest temperatura substancji. Słuszność tego założenia potwierdza szereg zjawisk. Jednym z nich jest dyfuzja - zjawisko polegające na samoistnym mieszaniu się substancji.
Dyfuzja w cieczach W cieczach dyfuzja przebiega wolniej niż w gazach, ale jeśli podgrzejemy wodę, proces dyfuzji przyspieszy. Mieszanie wody słodkiej ze słoną opiera się na zasadzie dyfuzji, gdy rzeki wpadają do morza.
Dyfuzja jest również stosowana w puszkach
Dyfuzja w gazach Dyfuzja w gazach zachodzi szybciej niż w cieczach, ponieważ odległość między cząsteczkami gazu jest zauważalnie większa, a jego cząsteczki mogą poruszać się swobodniej.
Przykładem dyfuzji w gazach jest rozprzestrzenianie się zapachów w powietrzu, ale zapach nie rozprzestrzenia się natychmiast, ale po pewnym czasie. Dzieje się tak, ponieważ ruch cząsteczek substancji zapachowej w określonym kierunku zakłóca ruch cząsteczek powietrza.
Drzewa uwalniają tlen i pochłaniają dwutlenek węgla poprzez dyfuzję. Mięsożercy również znajdują swoją ofiarę przez dyfuzję. Dyfuzja może spowodować wyrównanie temperatury w pomieszczeniu. Ze względu na zjawisko dyfuzji dolna warstwa atmosfery – troposfera – składa się z mieszaniny gazów: azotu, tlenu, dwutlenku węgla i pary wodnej. W przypadku braku dyfuzji rozwarstwienie zachodziłoby pod działaniem grawitacji: na dnie znajdowałaby się warstwa ciężkiego dwutlenku węgla, powyżej tlenu, powyżej azotu, gazów obojętnych.
Dyfuzja w gazach Gazy. Jest to odległość między cząsteczkami gazu.
Dyfuzja w cieczach Ciecze. W tej odległości cząsteczki cieczy są od siebie oddalone.
Dyfuzja w ciałach stałych Ciała stałe. Odległość cząsteczek między ciałami stałymi.
Szkodliwość dyfuzji W wyniku zjawiska dyfuzji powietrze jest zanieczyszczone odpadami pochodzącymi z różnych fabryk, przez co szkodliwe odchody ludzkie przedostają się do gleby, do wody, a następnie mają szkodliwy wpływ na życie i funkcjonowanie zwierząt i roślin .
Szkody dyfuzji Niestety w wyniku rozwoju cywilizacji ludzkiej następuje negatywny wpływ na przyrodę i procesy w niej zachodzące. Proces dyfuzji odgrywa ważną rolę w zanieczyszczeniu rzek, mórz i oceanów. Niektóre badania medyczne wykazały związek między zapadalnością układu oddechowego i górnych dróg oddechowych a stanem powietrza.
Podsumowanie Dyfuzja ma ogromne znaczenie w przyrodzie, ale zjawisko to jest również szkodliwe w odniesieniu do zanieczyszczenia środowiska.