Difuzia în biologia vindecării rănilor. Difuzia: definiție și exemple în lumea exterioară Rolul difuziei în nutriția plantelor

Textul lucrării este postat fără imagini și formule.
Versiunea completă a lucrării este disponibilă în fila „Fișiere de lucru” în format PDF

Introducere

Relevanța lucrării. Difuzia este un fenomen fundamental al naturii. Ea stă la baza transformărilor materiei și energiei. Manifestările sale au loc la toate nivelurile de organizare a sistemelor naturale de pe planeta noastră, începând de la nivelul particulelor elementare, atomilor și moleculelor, și terminând cu geosfera. Este utilizat pe scară largă în tehnologie și în viața de zi cu zi.

Esența difuziei este mișcarea particulelor dintr-un mediu, care duce la transferul de substanțe și egalizarea concentrațiilor sau stabilirea unei distribuții de echilibru a particulelor de un anumit tip în mediu. Difuzia moleculelor și atomilor se datorează mișcării lor termice.

Difuzia este și un proces fundamental care stă la baza funcționării sistemelor vii la orice nivel de organizare, de la nivelul particulelor elementare (difuzia electronilor) până la nivelul biosferei (circulația substanțelor în biosferă).

Joacă un rol imens în natură, în viața umană și în tehnologie. Procesele de difuzie pot avea atât efecte pozitive, cât și negative asupra vieții oamenilor și animalelor. Un exemplu de impact pozitiv este menținerea unei compoziții uniforme a aerului atmosferic lângă suprafața Pământului. Difuzia joacă un rol important în diverse domenii ale științei și tehnologiei, în procesele care au loc în viață și natura neînsuflețită. Ea influențează cursul reacțiilor chimice.

Cu participarea difuzării sau atunci când acest proces este perturbat și schimbat, pot apărea fenomene negative în natură și viața umană, cum ar fi poluarea extinsă a mediului cu produse progres tehnic persoană.

Scopul lucrării: Investigați caracteristicile difuziei în gaze, lichide și solide și aflați utilizarea difuziei de către oameni și manifestarea difuziei în natură, luați în considerare influența proceselor de difuzie asupra echilibrului ecologic în natură și influența oamenilor asupra proceselor de difuzie.

Esența difuziei

Demonstrează difuzia în gaze prin pulverizarea deodorantului în colțul sălii de clasă. Răspândirea mirosului se explică prin mișcarea moleculelor. Această mișcare este continuă și dezordonată. Ciocnind cu moleculele de gaze care alcătuiesc aerul, moleculele deodorantului își schimbă de multe ori direcția de mișcare și, mișcându-se aleatoriu, se împrăștie prin încăpere.

Procesul de penetrare a particulelor (molecule, atomi, ioni) unei substanțe între particulele unei alte substanțe datorită mișcării haotice se numește difuziune(din latină diffusio - răspândire, răspândire, dispersie). Astfel, difuzia este rezultatul mișcării haotice a tuturor particulelor unei substanțe, al oricărei acțiuni mecanice.

Mișcările particulelor în timpul difuziei sunt complet aleatorii, toate direcțiile de deplasare sunt la fel de probabile,

Deoarece particulele se mișcă în gaze, lichide și solide, difuzia este posibilă în aceste substanțe. Difuzia este transferul unei substanțe cauzat de egalizarea spontană a unei concentrații neuniforme de atomi sau molecule de diferite tipuri. Dacă într-un vas sunt introduse porțiuni de gaze diferite, apoi, după un timp, toate gazele sunt amestecate uniform: numărul de molecule de fiecare tip pe unitatea de volum a vasului va deveni constant, concentrația se va nivela după cum urmează . În primul rând, interfața dintre cele două medii este clar vizibilă între cele două corpuri (Fig. 1a). Apoi, datorită mișcării lor, particulele individuale de substanțe situate în apropierea locurilor de schimb de frontieră.

Limita dintre substanțe se estompează (Fig. 1b). După ce au pătruns între particulele unei alte substanțe, particulele primei încep să facă schimb de locuri cu particulele celei de-a doua, situate în straturi din ce în ce mai adânci. Interfața dintre substanțe devine și mai neclară. Datorită mișcării continue și aleatorii a particulelor, acest proces duce în cele din urmă la omogenizarea soluției din vas (Fig. 1c).

Fig.1. Explicarea fenomenului de difuzie.

Difuzia în natură

Cu ajutorul difuziei, în aer se răspândesc diverse substanțe gazoase: de exemplu, fumul unui incendiu se răspândește pe distanțe lungi.

Rezultatul acestui fenomen poate fi egalizarea temperaturii din cameră în timpul ventilației. În același mod, poluarea aerului are loc cu produse industriale nocive și cu gazele de eșapament ale vehiculelor. Gazul natural inflamabil pe care îl folosim acasă este incolor și inodor. Dacă există o scurgere, este imposibil de observat, așa că la stațiile de distribuție gazul este amestecat cu o substanță specială care are un miros ascuțit, neplăcut, ușor de perceput de oameni.

Datorită fenomenului de difuzie, stratul inferior al atmosferei - troposfera - este format dintr-un amestec de gaze: azot, oxigen, dioxid de carbon și vapori de apă. În absența difuziei, stratificarea s-ar produce sub influența gravitației: dedesubt ar fi un strat de dioxid de carbon greu, deasupra acestuia - oxigen, deasupra - azot și gaze inerte.

De asemenea, observăm acest fenomen pe cer. Norii dispersați sunt, de asemenea, un exemplu de difuzie și, așa cum a spus cu exactitate F. Tyutchev despre asta: „Norii se topesc pe cer...”

Difuzia are loc mai lent în lichide decât în ​​gaze, dar acest proces poate fi accelerat prin încălzire. De exemplu, pentru a mura rapid castraveții, aceștia sunt turnați cu saramură fierbinte. Știm că zahărul se va dizolva mai lent în ceaiul cu gheață decât în ​​ceaiul fierbinte.

Vara, privind furnicile, mă întrebam mereu cum vor afla ele, în această lume imensă pentru ele, drumul spre casă. Se dovedește că acest mister este dezvăluit și de fenomenul difuziei. Furnicile își marchează calea cu picături de lichid mirositor

Datorită difuziei, insectele își găsesc hrana. Fluturii, fluturând între plante, își găsesc întotdeauna drumul către o floare frumoasă. Albinele, după ce au descoperit un obiect dulce, îl asaltează cu roiul lor.

Și planta crește și înflorește și pentru ei, datorită difuziei. La urma urmei, spunem că planta respiră și expiră aer, bea apă și primește diverși microaditivi din sol.

Carnivorile își găsesc și ele victimele prin difuzie. Rechinii pot mirosi sânge de la câțiva kilometri distanță, la fel ca peștii piranha.

Ecologia mediului se deteriorează din cauza eliberării de substanțe chimice și alte substanțe nocive în atmosferă, apă, iar toate acestea se răspândesc și poluează zone vaste. Dar copacii eliberează oxigen și absorb dioxid de carbon folosind difuzia.

Principiul difuziei se bazează pe amestecarea apei dulci cu apa sărată atunci când râurile se varsă în mări. Difuzia soluțiilor de diferite săruri în sol contribuie la nutriția normală a plantelor.

În toate exemplele date, observăm pătrunderea reciprocă a moleculelor de substanțe, adică. difuziune. Pe acest proces se bazează multe procese fiziologice din corpul uman și animal: precum respirația, absorbția etc. În general, difuzia are mare importanțăîn natură, dar acest fenomen este dăunător și în ceea ce privește poluarea mediului.

2.1 Difuzia în floră

K.A. Timiryazev a spus: „Fie că vorbim despre nutriția rădăcinii datorită substanțelor găsite în sol, fie că vorbim despre alimentația aeriană a frunzelor din cauza atmosferei sau despre alimentația unui organ în detrimentul altuia, vecin. - peste tot vom recurge la aceleași motive de explicație: difuzia”.

Într-adevăr, în lumea plantelor rolul difuziei este foarte important. De exemplu, marea dezvoltare a coroanei frunzelor copacilor se explică prin faptul că schimbul de difuzie prin suprafața frunzelor îndeplinește nu numai funcția de respirație, ci parțial și de nutriție. În prezent, hrănirea foliară a pomilor fructiferi prin pulverizarea coroanelor lor este practicată pe scară largă.

Procesele difuze joacă un rol major în alimentarea rezervoarelor naturale și a acvariilor cu oxigen. Oxigenul ajunge la straturile mai adânci de apă în apele stagnante datorită difuziei prin suprafața lor liberă. Prin urmare, orice restricții asupra suprafeței libere a apei sunt nedorite. De exemplu, frunzele sau lintia de rață care acoperă suprafața apei pot opri complet accesul oxigenului la apă și pot duce la moartea locuitorilor săi. Din același motiv, vasele cu gât îngust nu sunt potrivite pentru utilizare ca acvariu.

În procesul de metabolism, atunci când nutrienții complecși sau elementele lor sunt descompuse în altele mai simple, se eliberează energia necesară vieții organismului.

2.2 Rolul difuziei în nutriția plantelor.

Rolul principal în procesele de difuzie în organismele vii îl au membranele celulare, care au permeabilitate selectivă. Trecerea substanțelor prin membrană depinde de:

Dimensiuni moleculare;

Incarcare electrica;

Despre prezența și numărul de molecule de apă;

Din solubilitatea acestor particule în grăsimi;

Din structura membranei.

Există două forme de difuzie: a) dializă- este difuzia moleculelor unei substante dizolvate; b) osmoză este difuzia solventului printr-o membrană semipermeabilă. Soluțiile din sol conțin săruri minerale și compuși organici. Apa din sol intră în plantă prin osmoză prin membranele semi-permeabile ale firelor de păr rădăcină. Concentrația de apă în sol este mai mare decât în ​​interiorul firelor de păr, astfel încât difuzia are loc dintr-o zonă de concentrație mai mare într-o zonă de concentrație mai mică. Apoi, concentrația de apă în aceste celule devine mai mare decât în ​​cele de deasupra - apare presiunea rădăcinii, provocând un flux ascendent de seva prin rădăcini și tulpină, iar pierderea apei de către frunze asigură absorbția ulterioară a apei.

Mineralele pătrund în plantă: a) prin difuzie; b) uneori prin transport activ împotriva unui gradient de concentraţie, însoţit de consum de energie. Există, de asemenea presiunea turgenței este presiunea exercitată de conținutul celulei asupra peretelui celular. Este aproape întotdeauna mai mică decât presiunea osmotică a celulei sevei, deoarece afara nu este apa pura, ci o solutie salina. Valoarea presiunii turgenței:

Conservarea formei organismului vegetal;

Asigurarea creșterii în celulele plantelor tinere;

Păstrarea elasticității plantelor (demonstrarea plantelor de cactus și aloe);

Formarea formei în absența țesăturii de întărire (demonstrația unei roșii);

Aplicarea difuziei în medicină.

În urmă cu mai bine de 30 de ani, medicul german William Kolf folosea un dispozitiv „rinichi artificial”. De atunci a fost folosit: pentru îngrijirea cronică de urgență pentru intoxicație acută; să pregătească pacienții cu insuficiență renală cronică pentru transplant de rinichi; pentru susținerea vieții pe termen lung (10-15 ani) pentru pacienții cu boală cronică de rinichi.

Utilizarea unui dispozitiv „rinichi artificial” devine din ce în ce mai mult o procedură terapeutică, dispozitivul este utilizat atât în ​​clinică, cât și acasă. Cu ajutorul aparatului, primitorul a fost pregătit pentru primul transplant renal de succes din lume, efectuat în 1965 de academicianul B.V. Petrovsky.

Aparatul este un hemodializator în care sângele intră în contact cu o soluție salină printr-o membrană semi-permeabilă. Datorită diferenței de presiune osmotică, ionii și moleculele produselor metabolice (uree, acid uric), precum și diferite substanțe toxice care trebuie îndepărtate din organism, trec prin membrana din sânge în soluția salină. Dispozitivul este un sistem de canale plate separate de membrane subțiri de celofan, prin care sângele și dializatul - o soluție salină îmbogățită cu un amestec gazos de CO 2 + O 2 - se deplasează încet în contra-fluxuri sistem circulator pacientul folosind catetere introduse în vena cavă (intrarea sângelui în dializat) și vena ulnară (ieșire). Dializa durează 4-6 ore. Se realizează purificarea sângelui din deșeurile azotate în cazul unei funcții renale insuficiente, adică. compoziţia chimică a sângelui este reglată.

Profesor de biologie: Următorul mesaj vă va ajuta să înțelegeți și să înțelegeți formele de difuzie, osmoză și dializă.

Aplicarea difuziei în tehnologie și în viața de zi cu zi

Difuziunea are aplicații largi în industrie și viața de zi cu zi. Sudarea prin difuzie a metalelor se bazează pe fenomenul difuziei. Metoda de sudare prin difuzie, fără utilizarea lipiturilor, electrozilor și fluxurilor, conectează metale, nemetale, metale și nemetale și materiale plastice. Piesele sunt plasate într-o cameră de sudare închisă cu vid puternic, comprimate și încălzite la 800 de grade. În acest caz, difuzia reciprocă intensă a atomilor are loc în straturile de suprafață ale materialelor în contact. Sudarea prin difuzie este utilizată în principal în industria electronică și semiconductoare și în inginerie de precizie.

Un aparat de difuzie este utilizat pentru a extrage substanțele solubile din materialul solid zdrobit. Astfel de dispozitive sunt răspândite mai ales în producția de zahăr din sfeclă, unde sunt folosite pentru a obține suc de zahăr din chipsuri de sfeclă încălzite împreună cu apă.

Difuzia neutronilor joacă un rol semnificativ în funcționarea reactoarelor nucleare, adică în propagarea neutronilor în materie, însoțită de multiple modificări ale direcției și vitezei de mișcare a acestora ca urmare a ciocnirilor cu nucleele atomice. Difuzia neutronilor într-un mediu este similară cu difuzia atomilor și moleculelor în gaze și respectă aceleași legi.

Ca urmare a difuziei purtătorilor în semiconductori, apare un curent electric Mișcarea purtătorilor de sarcină în semiconductori se datorează eterogenității concentrației acestora. Pentru a crea, de exemplu, o diodă semiconductoare, indiul este fuzionat într-una dintre suprafețele germaniului. Datorită difuziei atomilor de indiu adânc în monocristalul de germaniu, în el se formează o joncțiune p-n, prin care poate circula un curent semnificativ cu o rezistență minimă.

Procesul de metalizare se bazează pe fenomenul de difuzie - acoperirea suprafeței unui produs cu un strat de metal sau aliaj pentru a-i conferi proprietăți fizice, chimice și mecanice care diferă de proprietățile materialului metalizat. Este folosit pentru a proteja produsele de coroziune, uzură, pentru a crește conductivitatea electrică de contact și, în scopuri decorative, carburarea este utilizată pentru a crește duritatea și rezistența la căldură a pieselor din oțel. Constă în așezarea pieselor de oțel într-o cutie cu pulbere de grafit, care se instalează într-un cuptor termic. Datorită difuziei, atomii de carbon pătrund în stratul de suprafață al pieselor. Adâncimea de pătrundere depinde de temperatura și timpul de păstrare a pieselor în cuptorul termic.

Influența umană asupra cursului difuziei în natură.

Din păcate, ca urmare a dezvoltării civilizației umane, există un impact negativ asupra naturii și a proceselor care au loc în ea. Procesul de difuzie joacă un rol important în poluarea râurilor, mărilor și oceanelor. De exemplu, puteți fi sigur că detergenții turnați în canalizare, de exemplu, în Odesa, vor ajunge în largul coastei Turciei din cauza difuziei și a curenților existenți. Deversarea anuală de ape uzate industriale și menajere în lume se ridică la zeci de trilioane de tone. Un exemplu de impact negativ al oamenilor asupra proceselor de difuzie din natură sunt accidentele de amploare care au avut loc în bazinele diferitelor rezervoare. Ca urmare a acestui fenomen, uleiul și produsele sale se răspândesc pe suprafața apei și, ca urmare, procesele de difuzie sunt întrerupte, de exemplu: oxigenul nu intră în coloana de apă, iar peștii mor fără oxigen.

Datorită fenomenului de difuzie, aerul este poluat cu deșeuri din diverse fabrici, din cauza cărora deșeurile umane dăunătoare pătrund în sol, apă și apoi au un efect dăunător asupra vieții și funcționării animalelor și plantelor. Suprafața terenurilor contaminate cu emisii de la întreprinderile industriale etc. este în creștere. Peste 2 mii de hectare de teren sunt ocupate de haldele de deșeuri industriale și menajere. Una dintre problemele dificil de rezolvat în prezent este problema reciclării deșeurilor industriale, inclusiv a deșeurilor toxice.

O problemă urgentă este poluarea aerului de la gazele de eșapament și produsele prelucrării substanțelor nocive emise în atmosferă de diferite fabrici. Coșurile de fum ale întreprinderilor emit dioxid de carbon, oxizi de azot și sulf în atmosferă. În prezent, cantitatea totală de emisii de gaze în atmosferă depășește 40 de miliarde de tone pe an. Excesul de dioxid de carbon din atmosferă este periculos pentru lumea vie a Pământului, perturbă ciclul carbonului în natură și duce la formarea ploii acide. Procesul de difuzie joacă un rol important în poluarea râurilor, mărilor și oceanelor. Deversarea anuală de ape uzate industriale și menajere în lume este de aproximativ 10 trilioane de tone.

Unele studii medicale au arătat o legătură între morbiditatea căilor respiratorii și ale căilor respiratorii superioare și calitatea aerului. Există o relație directă între indicatorul nivelului bolilor respiratorii și volumul emisiilor de substanțe nocive în atmosferă. Exemplele enumerate de difuzie au un efect dăunător asupra diferitelor procese care au loc în natură.

Poluarea corpurilor de apă duce la dispariția vieții din ele, iar apa folosită pentru băut trebuie purificată, ceea ce este foarte scump. În plus, în apa contaminată apar reacții chimice, eliberând căldură. Temperatura apei crește, iar conținutul de oxigen din apă scade, ceea ce este rău pentru organismele acvatice. Din cauza creșterii temperaturii apei, multe râuri nu mai îngheață iarna. Pentru a reduce emisiile de gaze nocive din conductele industriale și conductele centralelor termice, sunt instalate filtre speciale. Astfel de filtre sunt instalate, de exemplu, la o centrală termică din districtul Leninsky din Chelyabinsk, dar instalarea lor este foarte costisitoare. Pentru a preveni poluarea corpurilor de apă, este necesar să se asigure că gunoiul, deșeurile alimentare, gunoiul de grajd, diferite feluri chimicale.

Având în vedere încălzirea globală, este important să se studieze modificarea ratei de difuzie în funcție de creșterea temperaturii ambientale.

Partea experimentală.

Eu experimentez. Observarea pătrunderii particulelor unei substanțe între moleculele altei substanțe .

Ţintă : studiază difuzia solidelor și trage o concluzie despre viteza de difuzie.

Dispozitive și materiale : gelatină, permanganat de potasiu, sulfat de cupru, vas Petria, pensetă, dispozitiv de încălzire.

:

Soluția solidă este gelatina. Pentru a pregăti soluția, trebuie să scufundați 1 lingură de gelatină în apă rece timp de 2 ore, astfel încât pudra să se umfle, apoi încălziți amestecul și dizolvați gelatina fără a o aduce la fierbere, apoi turnați-o într-un vas Petria ( Fig. 3). Când gelatina s-a răcit, un cristal de permanganat de potasiu a fost introdus în mijloc cu o mișcare rapidă folosind pensete într-un pahar și sulfat de cupru în celălalt. Și acum putem observa rezultatul difuziei.

Aici am observat pătrunderea particulelor de permanganat de potasiu și sulfat de cupru între moleculele de gelatină. După 24 de ore, s-a observat că difuzia permanganatului de potasiu nu are loc (Fig. 4), deoarece permanganatul de potasiu este un agent oxidant puternic.

Astfel, difuzia în solide are loc mai lent. Dacă agenții oxidanți puternici intră în mediu, aceștia duc la distrugerea acestuia.

II experiment. Observarea dizolvării bucăților de guașă în apă la temperatură constantă (la t = 22°C)

Am luat o bucată de guașă portocalie și un vas cu apă curată la o temperatură de 22 °C. Au pus o bucată de guașă în vas (Fig. 1) și au început să observe ce se întâmplă. După 10 minute, apa din vas începe să capete culoarea guașei (solide) (Fig. 2). Apa este un bun solvent. Sub influența moleculelor de apă, legăturile dintre moleculele solidelor de guașă sunt distruse. Au trecut 25 de minute de la începutul experimentului. Culoarea apei devine mai intensă (Fig. 3). Moleculele de apă pătrund între moleculele de guașă, rupând forțele de atracție. Au trecut 45 de minute de la începutul experimentului (Fig. 4). Concomitent cu forțele de atracție dintre molecule, încep să acționeze și forțe de respingere și, ca urmare, rețeaua cristalină a substanței solide (guașa) este distrusă. Procesul de dizolvare a guașei s-a încheiat. Experimentul a durat 2 ore și 50 de minute. Apa a devenit complet guașă.

Astfel, fenomenul de difuzie este un proces lung, în urma căruia solidele se dizolvă.

Sh experiență.Studiul dependenței vitezei de difuzie de temperatură și pătrundere în produsele alimentare.

Ţintă : studiază modul în care temperatura afectează viteza de difuzie.

Dispozitive și materiale : termometre - 2 buc., ceasuri - 1 buc., sticla - 1 buc., iod, cartofi, agitator magnetic.

Descrierea experienței și a rezultatelor obținute : Au luat un pahar, au pus iod în el și au închis paharul cu cartofi tăiați în jumătate la t = 22 °C. După 15 minute de la începutul experimentului, procesul de difuzie este inactiv. Procesul de încălzire a început după 4 minute. Procesul de difuzie a început, după 1 minut, vedem pătrunderea iodului în cartofi, după 2 minute.

Din această experiență putem concluziona că viteza de difuzie este afectată de temperatură: cu cât temperatura este mai mare, cu atât este mai mare rata de difuzie, ceea ce afectează negativ alimentele.

Astfel, aerul este poluat de deșeurile din diverse fabrici, gazele de eșapament ale mașinilor pătrund în produsele alimentare, iar apoi au un efect dăunător asupra vieții și funcționării oamenilor, animalelor și plantelor.

IV experiență.Studiul dependenței vitezei de difuzie a substanțelor gazoase în apă la temperatură constantă

Ţintă : studiați viteza de difuzie a substanțelor gazoase în apă la o temperatură constantă și trageți o concluzie despre viteza de difuzie.

Dispozitive și materiale : termometre - 1 bucată, ceas - 1 bucată, balon - 1 bucată, apă, iod.

Descrierea experienței și a rezultatelor obținute : Într-un balon s-a turnat apă de aceeași masă și aceeași temperatură (22 °C), apoi s-a turnat ulei vegetal (5 ml) într-un alt balon. Uleiul vegetal din experimentul nostru a imitat petrolul. Baloanele au fost închise cu bandă adezivă cu iod lipită de ea. Observația a fost eliminată după 45 minute.

Apa, acoperită cu o peliculă de ulei vegetal, este foarte slab colorată, ceea ce înseamnă că este mai greu pentru moleculele de oxigen să pătrundă în apă: peștii și alți locuitori acvatici se confruntă cu o lipsă de oxigen și chiar pot muri.

Concluzie : prezența diferitelor substanțe la suprafața apei perturbă procesele de difuzie și poate duce la consecințe nedorite asupra mediului.

Concluzie

Vedem cât de mare este importanța difuziei în natura neînsuflețită, iar existența organismelor vii ar fi imposibilă dacă nu ar fi acest fenomen. Din păcate, avem de a face cu manifestarea negativă a acestui fenomen, dar sunt mult mai mulți factori pozitivi și de aceea vorbim despre importanța enormă a difuziei în natură.

Natura folosește pe scară largă capacitățile inerente procesului de penetrare prin difuzie și joacă un rol vital în absorbția nutriției și oxigenarea sângelui. În flacăra Soarelui, în viața și moartea stelelor îndepărtate, în aerul pe care îl respirăm, peste tot vedem manifestarea unei difuzii atotputernice și universale.

Astfel, difuzia este de mare importanță în procesele de viață ale oamenilor, animalelor și plantelor. Datorită difuziei, oxigenul din plămâni pătrunde în sângele uman, iar din sânge în țesuturi. Dar, din păcate, oamenii, ca urmare a activităților lor, au adesea un impact negativ asupra proceselor naturale din natură.

Studiind difuziunea, rolul ei în echilibrul ecologic al naturii și factorii care influențează apariția ei în natură, am ajuns la concluzia că este necesară atragerea atenției publicului asupra problemelor de mediu.

Literatură

Alekseev S.V., Gruzdeva M.V., Muravyov A.G., Gushchina E.V. Atelier de ecologie. M. JSC MDS, 1996

Ilchenko V.R. Răscruce de fizică, chimie și biologie M: „Iluminismul”, 1986.

Kirillova I.G. O carte de citit despre fizică. M. „Iluminismul”, 1986

Peryshkin A.V.. Manual de fizică, clasa a VII-a. M. „Iluminismul”, 2005

Prohorov A.M. Dicționar enciclopedic fizic. 1995

Ryzhenkov A.P. Fizică. Uman. Mediu inconjurator. M: Iluminarea, 1996

Chuyanov V.A. Dicționar enciclopedic al unui tânăr fizician. 1999

Shakhmaev N.M. și colab. Fizica 7.M.: Mnemosyne, 2007.

Enciclopedie pentru copii.T.19. Ecologie: În 33 de volume/ Cap. ed. Volodin V. A. - M.: Avanta +, 2004 - 448 p.

Instituție de învățământ municipală școala secundară Zaozernaya cu studiu aprofundat al subiectelor individuale nr. 16

Subiect: „Difuzia în natura vie și neînsuflețită”.

Efectuat:

elev din clasa 8A Zyabrev Kirill.

Profesor de fizică: Zavyalova G.M.

Profesor de biologie: Zyabreva V.F.

Tomsk – 2008

I. Introducere. ……………………………………………………… 3

II. Difuzia în natura vie și neînsuflețită.

1. Istoria descoperirii fenomenului. ……………………………………. 4

2. Difuzia, tipurile ei. ………………………………………….. 6

3. De ce depinde viteza de difuzie? ……………………….. 7

4. Difuzia în natura neînsuflețită. ……………………………... 8

5. Difuzia în natura vie. ………………………………………… 9

6. Utilizarea fenomenelor de difuzie. …………………………. 16

7. Proiectarea fenomenelor de difuzie individuală. …………… 17

III. Concluzie. …………………………………………………... 20

IV. Cărți uzate. ……………………………………. . 21

I. Introducere.

Sunt atât de multe lucruri uimitoare și interesante care se întâmplă în jurul nostru. Stelele îndepărtate strălucesc pe cerul nopții, o lumânare arde pe fereastră, vântul poartă aroma cireșului înflorit, o bunica îmbătrânită te urmărește cu privirea... Vreau să știu multe, încerc să-mi explic singur. La urma urmei, multe fenomene naturale sunt asociate cu procesele de difuzie, despre care am vorbit recent la școală. Dar au spus atât de puțin!

Obiectivele muncii :

1. Extindeți și aprofundați cunoștințele despre difuzare.

2. Modelarea proceselor individuale de difuzie.

3. Creați material suplimentar bazat pe computer pentru a fi utilizat în lecțiile de fizică și biologie.

Sarcini:

1. Găsiți materialul necesar în literatură, internet, studiați-l și analizați-l.

2. Aflați unde apar fenomenele de difuzie în natura vie și neînsuflețită (fizică și biologie), ce semnificație au și unde sunt folosite de oameni.

3. Descrieți și proiectați cele mai interesante experimente asupra acestui fenomen.

4. Creați modele animate ale unor procese de difuzie.

Metode: analiza și sinteza literaturii, design, modelare.

Lucrarea mea constă din trei părți; partea principală este formată din 7 capitole. Am studiat și prelucrat materiale din 13 surse literare, inclusiv literatură educațională, de referință, literatură științifică și site-uri de internet și am pregătit și o prezentare realizată în editorul Power Point.

II. Difuzie în natura vie și neînsuflețită.

II .1. Istoria descoperirii fenomenului de difuzie.

Când a observat o suspensie de polen de flori în apă la microscop, Robert Brown a observat o mișcare haotică a particulelor care decurgea „nici din mișcarea lichidului, nici din evaporarea acestuia”. Particulele suspendate de 1 µm sau mai puțin, vizibile doar la microscop, au efectuat mișcări independente dezordonate, descriind traiectorii complexe în zig-zag. Mișcarea browniană nu slăbește cu timpul și nu depinde de proprietăți chimice mediu inconjurator; intensitatea acestuia crește odată cu creșterea temperaturii mediului și cu scăderea vâscozității și a dimensiunii particulelor. Chiar și o explicație calitativă a cauzelor mișcării browniene a fost posibilă doar 50 de ani mai târziu, când cauza mișcării browniene a început să fie asociată cu impactul moleculelor lichide pe suprafața unei particule suspendate în ea.

Prima teorie cantitativă a mișcării browniene a fost dată de A. Einstein și M. Smoluchowski în 1905-06. bazat pe teoria cinetică moleculară. S-a demonstrat că mersurile aleatorii ale particulelor browniene sunt asociate cu participarea lor la mișcarea termică împreună cu moleculele mediului în care sunt suspendate. Particulele au în medie aceeași energie cinetică, dar datorită masei lor mai mari au o viteză mai mică. Teoria mișcării browniene explică mișcările aleatorii ale unei particule prin acțiunea forțelor aleatorii din molecule și a forțelor de frecare. Conform acestei teorii, moleculele unui lichid sau gaz sunt în mișcare termică constantă, iar impulsurile diferitelor molecule nu sunt aceleași ca mărime și direcție. Dacă suprafața unei particule plasate într-un astfel de mediu este mică, așa cum este cazul unei particule browniene, atunci impacturile experimentate de particule de la moleculele din jurul acesteia nu vor fi compensate exact. Prin urmare, ca urmare a „bombardamentului” de către molecule, particula browniană intră în mișcare aleatorie, schimbând magnitudinea și direcția vitezei sale de aproximativ 1014 ori pe secundă. Din această teorie a rezultat că, măsurând deplasarea unei particule într-un anumit timp și cunoscând raza acesteia și vâscozitatea lichidului, se poate calcula numărul lui Avogadro.

Concluziile teoriei mișcării browniene au fost confirmate de măsurătorile lui J. Perrin și T. Svedberg în 1906. Pe baza acestor relații au fost determinate experimental constanta lui Boltzmann și constanta lui Avogadro. (constanta lui Avogadro notat cu NA, numărul de molecule sau atomi dintr-un mol dintr-o substanță, NA=6,022,1023 mol-1; nume în cinstea lui A. Avogadro.

constanta Boltzmann, constantă fizică k, egal cu raportul constantei universale de gaz R la numărul lui Avogadro N A: k = R / N A = 1,3807,10-23 J/K. Numit după L. Boltzmann.)

Când se observă mișcarea browniană, poziția particulei este înregistrată la intervale regulate. Cu cât intervalele de timp sunt mai scurte, cu atât mai întreruptă va arăta traiectoria particulei.

Legile mișcării browniene servesc ca o confirmare clară a principiilor fundamentale ale teoriei cinetice moleculare. S-a stabilit în cele din urmă că forma termică a mișcării materiei se datorează mișcării haotice a atomilor sau moleculelor care alcătuiesc corpurile macroscopice.

Teoria mișcării browniene a jucat un rol important în fundamentarea mecanicii statistice se bazează pe ea teoria cinetică a coagulării (amestecării) soluțiilor apoase. În plus, are și o semnificație practică în metrologie, deoarece mișcarea browniană este considerată principalul factor care limitează acuratețea instrumentelor de măsură. De exemplu, limita de precizie a citirilor unui galvanometru oglindă este determinată de vibrația oglinzii, ca o particulă brownian bombardată de molecule de aer. Legile mișcării browniene determină mișcarea aleatorie a electronilor, care provoacă zgomot în circuitele electrice. Pierderile dielectrice în dielectrici sunt explicate prin mișcări aleatorii ale moleculelor dipolului care alcătuiesc dielectricul. Mișcările aleatorii ale ionilor în soluțiile de electroliți măresc rezistența electrică a acestora.

Traiectorii particulelor browniene (schema experimentului Perrin); Punctele marchează pozițiile particulelor la intervale de timp egale.

Prin urmare, DIFUZIA, SAU MIȘCARE BROWNIAN – Acest mișcarea aleatorie a particulelor minuscule suspendate într-un lichid sau gaz, care au loc sub influența impactului moleculelor de mediu; deschis

R. Brown în 1827

II. 2. Difuzia, tipurile ei.

Se face o distincție între difuzie și autodifuzie.

Difuzia este pătrunderea spontană a moleculelor unei substanțe în spațiile dintre moleculele altei substanțe. În acest caz, particulele sunt amestecate. Difuzia se observă pentru gaze, lichide și solide. De exemplu, o picătură de cerneală este amestecată într-un pahar cu apă. Sau mirosul de colonie se raspandeste in toata camera.

Difuzia, ca și autodifuzia, există atâta timp cât există un gradient de densitate al substanței. Dacă densitatea uneia și aceleiași substanțe nu este aceeași în diferite părți ale volumului, atunci se observă fenomenul de autodifuzie. Autodifuzie numit procesul de egalizare a densităţii(sau concentrație proporțională cu aceasta) aceeași substanță. Difuzia și autodifuzia apar datorită mișcării termice a moleculelor, care, în stări de neechilibru, creează fluxuri de materie.

Densitatea fluxului de masă este masa unei substanțe ( dm), difuzand pe unitatea de timp printr-o unitate de suprafata ( dS pl), perpendicular pe ax X :

(1.1)

Fenomenul de difuzie se supune legii lui Fick

(1.2)

unde este modulul gradientului de densitate, care determină viteza de modificare a densității în direcția axei X ;

D- coeficientul de difuzie, care se calculează din teoria cinetică moleculară folosind formula

(1.3)

unde este viteza medie a mișcării termice a moleculelor;

Calea liberă medie a moleculelor.

Semnul minus indică faptul că transferul de masă are loc în direcția de scădere a densității.

Ecuația (1.2) se numește ecuație de difuzie sau legea lui Fick.

II. 3. Viteza de difuzie.

Când o particulă se mișcă într-o substanță, se ciocnește constant cu moleculele sale. Acesta este unul dintre motivele pentru care, în condiții normale, difuzia este mai lentă decât mișcarea normală. De ce depinde viteza de difuzie?

În primul rând, pe distanța medie dintre ciocnirile de particule, de ex. lungimea drumului liber. Cu cât această lungime este mai lungă, cu atât particula pătrunde mai repede în substanță.

În al doilea rând, presiunea afectează viteza. Cu cât împachetarea particulelor într-o substanță este mai densă, cu atât este mai dificil pentru o particulă străină să pătrundă într-o astfel de împachetare.

În al treilea rând, greutatea moleculară a substanței are un rol major asupra vitezei de difuzie. Cu cât ținta este mai mare, cu atât este mai probabil să lovească, iar după o coliziune viteza întotdeauna încetinește.

Și în al patrulea rând, temperatura. Pe măsură ce temperatura crește, vibrațiile particulelor cresc, iar viteza moleculelor crește. Cu toate acestea, viteza de difuzie este de o mie de ori mai mică decât viteza de mișcare liberă.

Toate tipurile de difuzie respectă aceleași legi și sunt descrise de coeficientul de difuzie D, care este o mărime scalară și este determinată de prima lege a lui Fick.

Pentru difuzie unidimensională ,

unde J este densitatea de flux a atomilor sau a defectelor substanței,
D - coeficientul de difuzie,
N este concentrația de atomi sau defecte ale unei substanțe.

Difuzia este un proces la nivel molecular și este determinat de natura aleatorie a mișcării moleculelor individuale. Viteza de difuzie este deci proporțională cu viteza medie a moleculelor. În cazul gazelor, viteza medie a moleculelor mici este mai mare și anume este invers proporțională cu rădăcina pătrată a masei moleculei și crește odată cu creșterea temperaturii. Procesele de difuzie în solide la temperaturi ridicate găsesc adesea aplicații practice. De exemplu, anumite tipuri de tuburi catodice (CRT) folosesc toriu metal difuzat prin tungsten metal la 2000 ºC.

Dacă într-un amestec de gaze o moleculă este de patru ori mai grea decât alta, atunci o astfel de moleculă se mișcă de două ori mai lentă decât mișcarea sa într-un gaz pur. În consecință, rata sa de difuzie este, de asemenea, mai mică. Această diferență în viteza de difuzie a moleculelor ușoare și grele este utilizată pentru a separa substanțe cu greutăți moleculare diferite. Un exemplu este separarea izotopilor. Dacă un gaz care conține doi izotopi este trecut printr-o membrană poroasă, izotopii mai ușori trec prin membrană mai repede decât cei mai grei. Pentru o mai bună separare, procesul se desfășoară în mai multe etape. Acest proces a fost utilizat pe scară largă pentru a separa izotopii de uraniu (separarea 235U, care se fisionează sub iradiere cu neutroni, de 238U în vrac). Deoarece această metodă de separare necesită multă energie, au fost dezvoltate alte metode de separare mai economice. De exemplu, utilizarea difuziei termice într-un mediu gazos este larg dezvoltată. Un gaz care conține un amestec de izotopi este plasat într-o cameră în care se menține o diferență de temperatură spațială (gradient). În acest caz, izotopii grei sunt concentrați în regiunea rece în timp.

Concluzie. Modificările difuze sunt afectate de:

· greutatea moleculară a substanței (cu cât greutatea moleculară este mai mare, cu atât viteza este mai mică);

· distanța medie dintre ciocnirile de particule (cu cât lungimea traseului este mai mare, cu atât viteza este mai mare);

· presiune (cu cât împachetarea particulelor este mai mare, cu atât este mai dificil de străpuns),

· temperatura (pe măsură ce temperatura crește, viteza crește).

II.4. Difuzia în natura neînsuflețită.

Știați că întreaga noastră viață este construită pe un paradox ciudat al naturii? Toată lumea știe că aerul pe care îl respirăm este format din gaze de diferite densități: azot N2, oxigen O2, dioxid de carbon CO2 și o cantitate mică de alte impurități. Și aceste gaze trebuie dispuse în straturi, în funcție de forța gravitațională: cel mai greu, CO 2 , se află chiar la suprafața pământului, deasupra este O 2 și chiar mai mare este N 2. Dar asta nu se întâmplă. Suntem înconjurați de un amestec omogen de gaze. De ce nu se stinge flacăra? La urma urmei, oxigenul din jurul lui se arde rapid? Aici, ca și în primul caz, funcționează mecanismul de aliniere. Difuzia previne dezechilibrul în natură!

De ce este marea sărată? Știm că râurile străbat grosimea rocilor și a mineralelor și spăla sărurile în mare. Cum se amestecă apa și sarea? Acest lucru poate fi explicat printr-un experiment simplu:

DESCRIEREA EXPERIENȚEI: Se toarnă o soluție apoasă de sulfat de cupru într-un vas de sticlă. Turnați cu grijă apă curată peste soluție. Observăm granița dintre lichide.

Întrebare: Ce se va întâmpla cu aceste lichide în timp și ce vom observa?

În timp, granița dintre lichidele care vin în contact va începe să se estompeze. Un vas cu lichide poate fi așezat într-un dulap și zi de zi puteți observa cât de spontană are loc amestecarea lichidelor. În cele din urmă, în vas se formează un lichid omogen albastru pal, aproape incolor la lumină.

Particulele de sulfat de cupru sunt mai grele decât apa, dar datorită difuziei ele cresc încet în sus. Motivul este structura lichidului. Particulele lichide sunt împachetate în grupuri compacte - pseudonuclei. Sunt separate unul de celălalt prin goluri - găuri. Nucleii nu sunt stabili; particulele lor nu rămân în echilibru mult timp. De îndată ce energie este împărțită particulei, aceasta se desprinde din nucleu și cade în gol. De acolo sare usor la alt nucleu etc.

Moleculele unei substanțe străine își încep călătoria prin lichidul din găuri. Pe drum, se ciocnesc de nuclee, scot particule din ele și le iau locul. Trecând dintr-un loc liber în altul, se amestecă încet cu particule lichide. Știm deja că rata de difuzie este scăzută. Prin urmare, în condiții normale, acest experiment a durat 18 zile, cu încălzire - 2-3 minute.

Concluzie: În flacăra Soarelui, viața și moartea stelelor luminoase îndepărtate, în aerul pe care îl respirăm, schimbările vremii, în aproape toate fenomenele fizice vedem manifestarea difuziei atotputernice!

II.5. Difuzia în natura vie.

Procesele de difuzie au fost acum bine studiate, legile lor fizice și chimice au fost stabilite și sunt destul de aplicabile mișcării moleculelor într-un organism viu. Difuzia în organismele vii este indisolubil legată de membrana plasmatică a celulei. Prin urmare, este necesar să aflăm cum este structurat și cum sunt legate caracteristicile structurii sale de transportul de substanțe în celulă.

Membrana plasmatică (plasmalema, membrană celulară), o suprafață, structură periferică care înconjoară protoplasma celulelor vegetale și animale, servește nu numai ca o barieră mecanică, dar, cel mai important, limitează fluxul liber în două sensuri de joasă și înaltă. substanțe moleculare în și în afara celulei. Mai mult, membrana plasmatică acționează ca o structură care „recunoaște” diferite substanțe chimice și reglează transportul selectiv al acestor substanțe în celulă.

Suprafata exterioara membrană plasmatică acoperit cu un strat fibros lax de substanta de 3-4 nm grosime - glicocalix. Este alcătuit din lanțuri ramificate de carbohidrați complecși, proteine ​​​​integrale membranare, între care se pot localiza compuși secretați de celule de proteine ​​cu zaharuri și proteine ​​cu grăsimi. Aici se găsesc și unele enzime celulare implicate în descompunerea extracelulară a substanțelor (digestia extracelulară, de exemplu, în epiteliul intestinal).

Deoarece interiorul stratului lipidic este hidrofob, acesta reprezintă o barieră practic impenetrabilă pentru majoritatea moleculelor polare. Datorită prezenței acestei bariere, scurgerea conținutului celular este împiedicată, dar din această cauză, celula a fost forțată să creeze mecanisme speciale pentru a transporta substanțele solubile în apă prin membrană.

Membrana plasmatică, ca și alte membrane celulare lipoproteice, este semi-permeabilă. Apa și gazele dizolvate în ea au capacitatea maximă de penetrare. Transportul ionilor poate avea loc de-a lungul unui gradient de concentrație, adică pasiv, fără consum de energie. În acest caz, unele proteine ​​de transport membranar formează complexe moleculare, canale prin care ionii trec prin membrană prin difuzie simplă. În alte cazuri, proteinele speciale de transport membranare se leagă selectiv de unul sau altul ion și îl transportă prin membrană. Acest tip de transport se numește transport activ și se realizează cu ajutorul pompelor de ioni proteici. De exemplu, cheltuind 1 moleculă de ATP, sistemul de pompă K-Na pompează 3 ioni Na din celulă într-un ciclu și pompează 2 ioni K împotriva gradientului de concentrație. În combinație cu transportul ionic activ, în plasmalemă pătrund diferite zaharuri, nucleotide și aminoacizi. Macromoleculele, cum ar fi proteinele, nu trec prin membrană. Ele, precum și particulele mai mari ale substanței, sunt transportate în celulă prin endocitoză. În timpul endocitozei, o anumită zonă a plasmalemei captează, învelește materialul extracelular și îl înglobează într-o vacuola membranară. Acest vacuol - un endozom - se contopește în citoplasmă cu lizozomul primar și are loc digestia materialului captat. Endocitoza este împărțită oficial în fagocitoză (absorbția de particule mari de către celulă) și pinocitoză (absorbția soluțiilor). Membrana plasmatică participă, de asemenea, la îndepărtarea substanțelor din celulă prin exocitoză, un proces invers la endocitoză.

Difuzia ionilor în soluții apoase este deosebit de importantă pentru organismele vii. Rolul difuziei în respirația, fotosinteza și transpirația plantelor nu este mai puțin important; în transferul de oxigen din aer prin pereții alveolelor plămânilor și intrarea acestuia în sângele oamenilor și animalelor. Difuzia ionilor moleculari prin membrane se realizează prin potențialul electric din interiorul celulei. Dispunând de permeabilitate selectivă, membranele joacă rolul de vamă la deplasarea mărfurilor peste graniță: unele substanțe sunt lăsate să treacă, altele sunt reținute, iar altele sunt în general „expulzate” din celulă. Rolul membranelor în viața celulară este foarte important. O celulă pe moarte pierde controlul asupra capacității de a regla concentrația de substanțe prin membrană. Primul semn al unei celule pe moarte este începutul schimbărilor în permeabilitatea și funcționarea defectuoasă a membranei sale exterioare.

Pe lângă transportul convențional - procesul cinetic de transfer al particulelor unei substanțe sub influența gradienților de potențial electric sau chimic, temperatură sau presiune - transportul activ are loc și în procesele celulare - mișcarea moleculelor și ionilor împotriva gradientului de concentrație al substante. Acest mecanism de difuzie se numește osmoză. (Osmoza a fost observată pentru prima dată de A. Nolle în 1748, dar cercetările asupra acestui fenomen au început un secol mai târziu.) Acest proces se realizează datorită presiunii osmotice diferite într-o soluție apoasă pe diferite părți ale unei membrane biologice osmoza printr-o membrana, dar aceasta membrana poate fi impermeabila la substantele dizolvate in apa. Este curios că apa curge împotriva difuziei acestei substanțe, dar respectând legea generală a gradientului de concentrație (în acest caz, apa).

Prin urmare, apa tinde de la o soluție mai diluată, unde concentrația sa este mai mare, la o soluție mai concentrată a unei substanțe, în care concentrația apei este mai mică. Nefiind capabilă să absoarbă și să pompa în mod direct apa, celula face acest lucru prin osmoză, modificând concentrația de substanțe dizolvate în ea. Osmoza egalizează concentrația soluției pe ambele părți ale membranei. Starea tensionată a membranei celulare, care se numește presiune de turgescență, depinde de presiunea osmotică a soluțiilor de substanțe de pe ambele părți ale membranei celulare și de elasticitatea membranei celulare, care se numește presiune de turgență (turgor - din latinescul turgere). - a fi umflat, umplut). De obicei, elasticitatea membranelor celulare animale (excluzând unele celenterate) este scăzută, acestea nu au o presiune mare de turgență și își păstrează integritatea doar în soluțiile izotonice sau cele care diferă puțin de cele izotonice (diferența dintre presiunea internă și cea externă este mai mică de 0,5-1,0); a.m). În celulele vegetale vii, presiunea internă este întotdeauna mai mare decât presiunea externă, cu toate acestea, ruperea membranei celulare nu are loc din cauza prezenței celulozei. perete celular. Diferența dintre presiunile interne și externe la plante (de exemplu, la plantele halofite - ciuperci iubitoare de sare) ajunge la 50-100 dimineața. Dar chiar și așa, marja de siguranță a celulei plantei este de 60-70%. La majoritatea plantelor, alungirea relativă a membranei celulare din cauza turgenței nu depășește 5-10%, iar presiunea turgenței se află în intervalul 5-10 dimineața. Datorită turgenței, țesuturile plantelor au elasticitate și rezistență structurală. (Experimentele nr. 3, nr. 4 confirmă acest lucru). Toate procesele de autoliză (autodistrugere), ofilire și îmbătrânire sunt însoțite de o scădere a presiunii turgenței.

Când luăm în considerare difuzia în natura vie, nu putem să nu menționăm absorbția. Absorbția este procesul de intrare a diferitelor substanțe din mediu prin membranele celulare în celule și prin acestea în mediul intern al organismului. La plante, acesta este procesul de absorbție a apei cu substanțe dizolvate în ea de rădăcini și frunze prin osmoză și difuzie; la nevertebrate - din mediu sau fluidul din cavitate. La organismele primitive, absorbția are loc prin pinocitoză și fagocitoză. La vertebrate, absorbția poate avea loc atât din organele cavității - plămâni, uter, vezică urinară, cât și de la suprafața pielii, de la suprafața plăgii etc. Gazele și vaporii volatili sunt absorbiți de piele.

Cea mai mare semnificație fiziologică este absorbția în tractul gastrointestinal, care are loc în principal în intestinul subțire. Pentru transferul eficient al substanțelor, suprafața mare a intestinului și fluxul sanguin constant ridicat în membrana mucoasă sunt de o importanță deosebită, datorită cărora se menține un gradient de concentrație ridicat al compușilor absorbiți. La om, fluxul de sânge mezenteric în timpul meselor este de aproximativ 400 ml/min, iar la înălțimea digestiei - până la 750 ml/min, ponderea principală (până la 80%) fiind fluxul de sânge în membrana mucoasă a organelor digestive. . Datorită prezenței structurilor care măresc suprafața membranei mucoase - pliuri circulare, vilozități, microvilozități, suprafața totală a suprafeței de absorbție a intestinului uman ajunge la 200 m2.

Soluțiile de apă și sare pot difuza pe ambele părți ale peretelui intestinal, atât în ​​intestinul subțire, cât și în intestinul gros. Absorbția lor are loc în principal în părțile superioare ale intestinului subțire. De mare importanță este transportul ionilor de Na+ în intestinul subțire, datorită căruia se creează în principal gradienți electrici și osmotici. Absorbția ionilor de Na+ are loc atât prin mecanisme active, cât și prin mecanisme pasive.

Dacă celula nu ar avea sisteme de reglare a presiunii osmotice, atunci concentrația de substanțe dizolvate în interiorul acesteia ar fi mai mare decât concentrațiile lor externe. Atunci concentrația de apă în celulă ar fi mai mică decât concentrația sa în exterior. Ca rezultat, ar exista un flux constant de apă în celulă și ruperea acesteia. Din fericire, celulele animale și bacteriile controlează presiunea osmotică din celulele lor prin pomparea activă a ionilor anorganici, cum ar fi Na. Prin urmare, concentrația lor totală în interiorul celulei este mai mică decât în ​​exterior. De exemplu, amfibienii își petrec o parte semnificativă a timpului în apă, iar conținutul de sare din sângele și limfa lor este mai mare decât în ape proaspete. Organismele amfibiene absorb continuu apa prin piele. Prin urmare, produc multă urină. O broască, de exemplu, dacă cloaca ei este bandajată, se umflă ca un balon. Și, invers, dacă un amfibian intră în apa sărată de mare, acesta devine deshidratat și moare foarte repede. Prin urmare, mările și oceanele sunt un obstacol de netrecut pentru amfibieni. Celulele vegetale au pereți rigizi care le protejează de umflături. Multe protozoare evită izbucnirea din apa care intră în celulă cu ajutorul unor mecanisme speciale care aruncă în mod regulat apa care intră.

Astfel, celula este un sistem termodinamic deschis, care face schimb de materie și energie cu mediul, dar păstrând o anumită constanță a mediului intern. Aceste două proprietăți ale unui sistem de autoreglare - deschiderea și constanța - sunt îndeplinite simultan, iar metabolismul (metabolismul) este responsabil pentru constanța celulei. Metabolismul este regulatorul care contribuie la conservarea sistemului asigură un răspuns adecvat la influențele mediului. Prin urmare, o condiție necesară pentru metabolism este iritabilitatea unui sistem viu la toate nivelurile, care în același timp acționează ca un factor în sistematicitatea și integritatea sistemului.

Membranele își pot modifica permeabilitatea sub influența factorilor chimici și fizici, inclusiv ca urmare a depolarizării membranei atunci când un impuls electric trece prin sistemul neuronal și îl influențează.

Un neuron este o bucată de fibră nervoasă. Dacă un stimul acționează la un capăt al acestuia, are loc un impuls electric. Valoarea sa este de aproximativ 0,01 V pentru celulele musculare umane și se propagă cu o viteză de aproximativ 4 m/s. Când impulsul ajunge la o sinapsă - o conexiune între neuroni, care poate fi considerată ca un fel de releu care transmite un semnal de la un neuron la altul, impulsul electric este transformat într-un impuls chimic prin eliberarea de neurotransmițători - substanțe intermediare specifice. Când moleculele unui astfel de intermediar intră în golul dintre neuroni, neurotransmițătorul ajunge la capătul decalajului prin difuzie și excită următorul neuron.

Cu toate acestea, un neuron reacționează numai dacă există molecule speciale pe suprafața lui - receptori care pot lega doar un anumit transmițător și nu pot reacționa la altul. Acest lucru se întâmplă nu numai pe membrană, ci și în orice organ, cum ar fi un mușchi, determinându-l să se contracte. Semnale-impulsurile prin sinapse pot inhiba sau spori transmiterea altora și, prin urmare, neuronii îndeplinesc funcții logice („și”, „sau”), care, într-o anumită măsură, au servit drept bază pentru ca N. Wiener să creadă că procesele computaționale din creierul unui organism viu și în computere urmează în esență același model. Apoi abordarea informațională ne permite să descriem natura neînsuflețită și vie într-un mod unitar.

Însuși procesul semnalului care influențează membrana constă în modificarea rezistenței sale electrice ridicate, deoarece diferența de potențial pe aceasta este și de ordinul a 0,01 V. O scădere a rezistenței duce la creșterea impulsului de curent electric și excitația este transmisă. mai departe sub forma unui impuls nervos, modificând astfel posibilitatea trecerii prin membrana anumitor ioni. Astfel, informațiile din organism pot fi transmise în combinație prin mecanisme chimice și fizice, iar acest lucru asigură fiabilitatea și diversitatea canalelor pentru transmiterea și prelucrarea acesteia într-un sistem viu.

Procesele de respirație normală a unui organism viu, care necesită oxigen O2 obținut ca urmare a fotosintezei, sunt strâns legate de procesele de respirație normală a unui organism viu, când moleculele de ATP se formează în mitocondriile unei celule, furnizându-i acesteia energia necesară. Mecanismele acestor procese se bazează și pe legile difuziei. În esență, acestea sunt componentele materiale și energetice care sunt necesare unui organism viu. Fotosinteza este procesul de stocare a energiei solare prin formarea de noi legături în moleculele substanțelor sintetizate. Materiile prime pentru fotosinteză sunt apa H2O și dioxidul de carbon CO2. Din acești compuși anorganici simpli se formează nutrienți mai complexi, bogati în energie. Oxigenul molecular O2 se formează ca produs secundar, dar foarte important pentru noi. Un exemplu este o reacție care are loc datorită absorbției cuantelor de lumină și prezenței pigmentului de clorofilă conținut în cloroplaste.

Rezultatul este o moleculă de zahăr C 6 H 12 O 6 și șase molecule de oxigen O 2. Procesul se desfășoară în etape, mai întâi în stadiul de fotoliză, hidrogenul și oxigenul se formează prin scindarea apei, iar apoi hidrogenul, combinat cu dioxidul de carbon, formează un carbohidrat - zahăr C 6 H 12 O 6. În esență, fotosinteza este conversia energiei radiante a Soarelui în energia legăturilor chimice ale substanțelor organice emergente. Astfel, fotosinteza, care produce oxigen O 2 în lumină, este procesul biologic care asigură organismelor vii energie liberă. Procesul de respirație normală ca proces metabolic în organism asociat cu consumul de oxigen este proces invers fotosinteză. Ambele procese pot urma următorul lanț:

Energia solara (fotosinteza)

nutrienți + (respirație)

Energia legăturilor chimice.

Produșii finali ai respirației servesc ca materiale de plecare pentru fotosinteză. Astfel, procesele de fotosinteză și respirație participă la ciclul substanțelor de pe Pământ. O parte din radiația solară este absorbită de plante și de unele organisme, care, după cum știm deja, sunt autotrofe, adică. auto-hrănire (hrana pentru ei este lumina soarelui). Ca urmare a procesului de fotosinteză, autotrofele leagă dioxidul de carbon atmosferic și apa, formând până la 150 de miliarde de tone de substanțe organice, asimilând până la 300 de miliarde de tone de CO 2 și eliberând anual aproximativ 200 de miliarde de tone de oxigen liber O 2 .

Primit materie organică sunt consumate ca hrană de oameni și ierbivore, care, la rândul lor, se hrănesc cu alți heterotrofe. Rămășițele vegetale și animale sunt apoi descompuse în substanțe anorganice simple, care pot participa din nou sub formă de CO 2 și H 2 O la fotosinteză. O parte din energia rezultată, inclusiv cea stocată sub formă de combustibil fosil, este folosită pentru consum de organismele vii, în timp ce o parte este disipată inutil în mediu. Prin urmare, procesul de fotosinteză, datorită capacității de a-i furniza energia și oxigenul necesar, este într-un anumit stadiu al dezvoltării biosferei Pământului un catalizator al evoluției viețuitoarelor.

Procesele de difuzie stau la baza metabolismului în celulă, ceea ce înseamnă că, cu ajutorul lor, aceste procese sunt efectuate la nivel de organ. Așa au loc procesele de absorbție în firele de păr ale plantelor, intestinele animalelor și ale oamenilor; schimbul de gaze în stomatele plantelor, plămânii și țesuturile oamenilor și animalelor, procesele excretorii.

Biologii studiază structura și studiul celulelor de mai bine de 150 de ani, începând cu Schleiden, Schwann, Purime și Virchow, care în 1855 au stabilit mecanismul creșterii celulelor prin divizarea acestora. S-a descoperit că fiecare organism se dezvoltă dintr-o singură celulă, care începe să se dividă și, ca urmare, se formează multe celule care sunt vizibil diferite unele de altele. Dar, din moment ce dezvoltarea organismului a început inițial de la diviziunea primei celule, atunci la o etapă a ciclului nostru de viață păstrăm asemănări cu un strămoș unicelular foarte îndepărtat și se poate spune în glumă că este mai probabil să fi descins dintr-un ameba decât de la o maimuță.

Organele se formează din celule, iar sistemul celular capătă calități pe care elementele sale constitutive nu le au, adică. celule individuale. Aceste diferențe se datorează setului de proteine ​​sintetizate de o celulă dată. Există celule musculare, celule nervoase, celule sanguine (eritrocite), celule epiteliale și altele, în funcție de funcționalitatea lor. Diferențierea celulară are loc treptat în timpul dezvoltării organismului. În procesul de diviziune celulară, viața și moartea lor, înlocuirea continuă a celulelor are loc pe tot parcursul vieții organismului.

Nici o moleculă din corpul nostru nu rămâne neschimbată mai mult de câteva săptămâni sau luni. În acest timp, moleculele sunt sintetizate, își îndeplinesc rolul în viața celulei, sunt distruse și înlocuite cu alte molecule, mai mult sau mai puțin identice. Cel mai uimitor lucru este că organismele vii în ansamblu sunt mult mai constante decât moleculele care le alcătuiesc, iar structura celulelor și a întregului corp format din aceste celule rămâne neschimbată în acest ciclu non-stop, în ciuda înlocuirii componente individuale.

Mai mult, aceasta nu este o înlocuire a unor părți individuale ale mașinii, ci, așa cum compară S. Rose la figurat, caroseria cu o clădire din cărămidă, „din care un zidar nebun scoate continuu o cărămidă după alta noapte și zi și introduce altele noi. în locul lor. În același timp, aspectul exterior al clădirii rămâne același, dar materialul este înlocuit constant.” Ne naștem cu unii neuroni și celule și murim împreună cu alții. Un exemplu este conștiința, înțelegerea și percepția unui copil și a unei persoane în vârstă. Toate celulele conțin informații genetice complete pentru construirea tuturor proteinelor unui anumit organism. Stocarea și transmiterea informațiilor ereditare se realizează folosind nucleul celular.

Concluzie: Rolul permeabilității membranei plasmatice în viața celulară nu poate fi exagerat. Majoritatea proceselor asociate cu furnizarea energiei celulei, obținerea de produse și eliminarea produselor de degradare se bazează pe legile difuziei prin această barieră vie semi-permeabilă.

Osmoză- in esenta, simpla difuzie a apei din locuri cu o concentratie mai mare de apa catre locuri cu o concentratie mai mica de apa.

Transport pasiv– este transferul de substanțe din locuri cu un potențial electrochimic ridicat în locuri cu o valoare mai mică. Transferul moleculelor mici solubile în apă se realizează folosind proteine ​​de transport speciale. Acestea sunt proteine ​​transmembranare speciale, fiecare dintre acestea fiind responsabilă de transportul unor molecule specifice sau grupe de molecule înrudite.

Este adesea necesar să se asigure transportul moleculelor prin membrană împotriva lor gradient electrochimic. Acest proces se numește transport activși este realizat de proteine ​​purtătoare, a căror activitate necesită energie. Dacă conectați o proteină purtătoare cu o sursă de energie, puteți obține un mecanism care asigură transportul activ al substanțelor prin membrană.

II.6. Aplicarea difuziei.

Omul a folosit fenomenele de difuzie din cele mai vechi timpuri. Acest proces presupune gătitul și încălzirea locuinței. Întâmpinăm difuzie în timpul tratamentului termic al metalelor (sudare, lipire, tăiere, acoperire etc.); aplicarea unui strat subțire de metale pe suprafața produselor metalice pentru a crește rezistența chimică, rezistența, duritatea pieselor și dispozitivelor, sau în scopuri de protecție și decorative (galvanizare, cromare, nichelare).

Gazul natural inflamabil pe care îl folosim acasă pentru gătit nu are nici culoare, nici miros. Prin urmare, ar fi dificil să observați imediat o scurgere de gaz. Iar atunci când există o scurgere, gazul se răspândește în toată camera datorită difuziei. Între timp, la un anumit raport de gaz și aer într-o cameră închisă, se formează un amestec care poate exploda, de exemplu, dintr-un chibrit aprins. Gazul poate provoca, de asemenea, otrăvire.

Pentru a face vizibil fluxul de gaz într-o încăpere, la stațiile de distribuție gazul inflamabil este preamestecat cu substanțe speciale care au un miros puternic neplăcut care este ușor de perceput de om chiar și la concentrații foarte mici. Această precauție vă permite să observați rapid acumularea de gaz în cameră dacă apare o scurgere.

În industria modernă, se folosește formarea în vid, o metodă de fabricare a produselor din folii termoplastice. Un produs de configurația cerută se obține datorită diferenței de presiune rezultată din vidul din cavitatea matriței peste care este fixată foaia. Este utilizat, de exemplu, în producția de containere, piese de frigider și carcase pentru instrumente. Datorită difuziei în acest fel, este posibil să sudați ceva care este imposibil de sudat singur (metal cu sticlă, sticlă și ceramică, metale și ceramică și multe altele).

Datorită difuzării diferiților izotopi ai uraniului prin membranele poroase, combustibilul pentru reactoarele nucleare este tratat. Uneori, combustibilul nuclear se numește combustibil nuclear.

Absorbția (resorbția) substanțelor atunci când sunt introduse în țesutul subcutanat, în mușchi sau atunci când sunt aplicate pe membranele mucoase ale ochiului, nasului sau pielii canalului auditiv are loc în principal din cauza difuziei. Aceasta este baza pentru utilizarea multora substanțe medicinale, iar absorbția în mușchi are loc mai rapid decât în ​​piele.

Înțelepciunea populară spune: „tunde-ți părul în timp ce este rouă”. Spune-mi, ce legătură are difuzia și cositul de dimineață cu asta? Explicația este foarte simplă. În timpul rouei dimineții, ierburile au crescut presiunea turgenței, stomatele sunt deschise, iar tulpinile sunt elastice, ceea ce le face mai ușor de cosit (iarba cosită cu stomatele închise se usucă mai rău).

În horticultură, la înmugurirea și altoirea plantelor, calusul se formează pe secțiuni datorită difuziei (din latinescul Callus - calus) - țesut ranit sub formă de aflux în locurile afectate și favorizează vindecarea acestora, asigură fuziunea descendentului cu portaltoiul.

Calusul este folosit pentru a obține culturi de țesuturi izolate (explantare). Aceasta este o metodă de conservare și cultivare pe termen lung în medii nutritive speciale a celulelor, țesuturilor, organelor mici sau părților acestora izolate de corpul uman, animale și plante. Bazat pe metode de creștere a unei culturi de microorganisme care asigură asepsie, nutriție, schimb de gaze și îndepărtarea produselor metabolice ai obiectelor cultivate. Unul dintre avantajele metodei de cultură de țesuturi este capacitatea de a observa activitatea vitală a celulelor folosind un microscop. Pentru a face acest lucru, țesutul vegetal este crescut pe medii nutritive care conțin auxine și citokinine. Calusul constă de obicei din celule omogene slab diferențiate ale țesutului educațional, dar atunci când condițiile de creștere se schimbă, în special conținutul de fitohormoni din mediul nutritiv, este posibilă formarea floemului, xilemului și a altor țesuturi în acesta, precum și dezvoltarea diferitelor organe. și întreaga plantă.

II.7. Proiectarea experimentelor individuale.

Folosind literatura științifică, am încercat să repet experimentele care au fost cele mai interesante pentru mine. Am descris mecanismul de difuzie și rezultatele acestor experimente în prezentarea sub formă de modele de animație.

EXPERIENTA 1. Luați două eprubete: o jumătate umplută cu apă, cealaltă jumătate umplută cu nisip. Se toarnă apa într-o eprubetă cu nisip. Volumul unui amestec de apă și nisip dintr-o eprubetă este mai mic decât suma volumelor de apă și nisip.

EXPERIENTA 2. Umpleți până la jumătate un tub lung de sticlă cu apă, apoi turnați alcool colorat deasupra. Marcați nivelul general al lichidelor din tub cu un inel de cauciuc. După amestecarea apei cu alcoolul, volumul amestecului scade.

(Experimentele 1 și 2 demonstrează că există goluri între particulele de materie; în timpul difuziei, acestea sunt umplute cu particule de substanță extraterestră.)

EXPERIENTA 3. Aducem în contact o vată umezită cu amoniac cu o vată umezită cu indicatorul fenolftaleină. Observăm colorarea lânelor într-o culoare purpurie.

Acum, pe fundul unui vas de sticlă se pune o vată umezită cu amoniac, iar una umezită cu fenolftaleină. Atașați-l la capac și acoperiți vasul de sticlă cu acest capac. După ceva timp, vata înmuiată în fenolftaleină începe să se coloreze.

Ca urmare a interacțiunii cu amoniacul, fenolftaleina devine purpurie, ceea ce am observat când vata a intrat în contact. Dar de ce atunci, în al doilea caz, vată înmuiată în fenolftaleină. Este și vopsit, pentru că acum lânurile nu sunt aduse în contact? Răspuns: mișcare haotică continuă a particulelor de substanțe.

EXPERIENTA 4. Puneți o fâșie îngustă de hârtie de filtru înmuiată într-un amestec de pastă de amidon și soluție indicator de fenolftaleină de-a lungul peretelui în interiorul unui vas cilindric înalt. Puneți cristale de iod pe fundul vasului. Închideți ermetic vasul cu un capac din care se suspendă vată înmuiată în soluție de amoniac.

Datorită interacțiunii iodului cu amidonul, o culoare albastru-violet se ridică pe fâșia de hârtie. În același timp, o culoare purpurie se răspândește în jos - dovadă a mișcării moleculelor de amoniac. După câteva minute, limitele zonelor colorate ale hârtiei se vor întâlni, iar apoi culorile albastru și purpuriu se amestecă, adică are loc difuzia.[10]

EXPERIENTA 5.(petreceți-l împreună) Luați un ceas cu a doua mână, o bandă de măsurare, o sticlă de apă de toaletă și stați în diferite colțuri ale camerei. Se notează ora și deschide sticla. Altul notează momentul în care miroase a apa de toaletă. Măsurând distanța dintre experimentatori, găsim viteza de difuzie. Pentru acuratețe, experimentul se repetă de 3-4 ori și se găsește valoarea medie a vitezei. Dacă distanța dintre experimentatori este de 5 metri, atunci mirosul se simte după 12 minute. Adică viteza de difuzie în acest caz este de 2,4 m/min.

EXPERIENTA 6. DETERMINAREA VISCOZITĂȚII PLASMICE PRIN METODĂ DE PLASMOLISĂ (conform P.A. Genkel).

Viteza de avans plasmoliza convexă in celulele vegetale cand sunt tratate cu o solutie hipertanica, depinde de vascozitatea citoplasmei; cu cât vâscozitatea citoplasmei este mai mică, cu atât plasmoliza concavă se transformă mai repede în convexă. Vâscozitatea citoplasmei depinde de gradul de dispersie a particulelor coloidale și de hidratarea acestora, de conținutul de apă din celulă, de vârsta celulelor și de alți factori.

Progres. Faceți o secțiune subțire a epidermei dintr-o frunză de aloe sau smulgeți epiderma de pe solzii moi ale unei cepe. Secțiunile pregătite sunt colorate într-un pahar de ceas timp de 10 minute într-o soluție roșie neutră la o concentrație de 1:5000. Apoi, secțiunile obiectului sunt plasate pe o lamă de sticlă într-o picătură de zaharoză cu concentrație scăzută și acoperite cu o lamâie. La microscop, se notează starea de plasmoliză. În primul rând, plasmoliza concavă este observată în celule. Ulterior, această formă fie se păstrează, fie, cu viteză variabilă, se transformă într-o formă convexă. Este important de remarcat timpul de tranziție de la plasmoliza concavă la convexă. Perioada de timp în care plasmoliza concavă se transformă în plasmoliza convexă este un indicator al gradului de vâscozitate a protoplasmei. Cu cât timpul de tranziție la plasmoliza convexă este mai lung, cu atât vascozitatea plasmei este mai mare. Plasmoliza în celulele de ceapă începe mai repede decât în ​​pielea de aloe. Aceasta înseamnă că citoplasma celulelor de aloe este mai vâscoasă.

EXPERIENTA 7. PLASMOLISĂ. DEPLASMOLISĂ. PENTRUL SUBSTANȚELOR ÎN VACUOL [2]

Unele substanțe organice pătrund destul de repede în vacuolă. În celule, când sunt păstrate în soluții de astfel de substanțe, plasmoliza se pierde relativ rapid și are loc deplasmoliza.

Deplasmoliza este refacerea turgenței în celule(adică fenomenul opus plasmolizei).

Progres. Secțiuni ale epidermei superioare de solzi colorați de ceapă (partea concavă) se pun într-o picătură de soluție I M de uree sau glicerol îngrășământ pentru plante direct pe o lamă de sticlă și se acoperă cu o lamă. După 15-30 de minute, obiectele sunt examinate la microscop. Celulele plasmolizate sunt clar vizibile. Lăsați secțiunile într-o picătură de soluție încă 30-40 de minute. Apoi se uită din nou la microscop și observă deplasmoliza - restabilirea turgenței.

Concluzie : Plantele nu pot controla clar cantitatea de substanțe chimice care intră și ies din celule.

III. Concluzie.

Procesele de mișcări fizice și chimice ale elementelor în măruntaie pământuluiși în Univers, precum și procesele vitale ale celulelor și țesuturilor organismelor vii. Difuzia joacă un rol important în diverse domenii ale științei și tehnologiei, în procesele care au loc în natura vie și neînsuflețită. Difuzia influențează cursul multor reacții chimice, precum și multe procese și fenomene fizico-chimice: membrană, evaporare, condensare, cristalizare, dizolvare, umflare, ardere, catalitică, cromatografică, luminiscente, electrice și optice în semiconductori, moderarea neutronilor în reactoare nucleare etc. . Difuzia are o mare importanță în formarea unui dublu strat electric la limitele de fază, foreza de difuzie și electroforeza, în procesele fotografice pentru obținerea rapidă a imaginilor etc. Difuzia servește ca bază pentru multe operații tehnice uzuale: sinterizarea pulberilor, chimio-termic. tratarea metalelor, metalizarea și sudarea materialelor, tăbăcirea pieilor și blănurilor, vopsirea fibrelor, deplasarea gazelor cu ajutorul pompelor de difuzie. Rolul difuziei a crescut semnificativ datorită necesității de a crea materiale cu proprietăți prestabilite pentru dezvoltarea domeniilor tehnologiei (energie nucleară, astronautică, procese radiații și plasma-chimice etc.). Cunoașterea legilor care guvernează difuzia face posibilă prevenirea modificărilor nedorite ale produselor care apar sub influența sarcinilor și temperaturilor ridicate, radiațiilor și multe, multe altele...

Cum ar fi lumea fără difuzie? Opriți mișcarea termică a particulelor - și totul în jur va deveni mort!

În lucrarea mea, am rezumat materialul adunat pe tema rezumatului și am pregătit o prezentare realizată în editorul Power Point pentru apărarea acestuia. Această prezentare, după părerea mea, poate diversifica materialul de lecție pe această temă. Unele dintre experimentele descrise în literatură au fost repetate și ușor modificate de mine. Cele mai interesante exemple de difuzie sunt prezentate pe diapozitivele de prezentare în modele animate.

IV. Cărți folosite:

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

M., Arktos-Vika-press, 1996

2. Afanasyev Yu.I., Yurina N.A., Kotovsky E.F. şi alţii.

M. Medicină, 1999.

3. Alberts B., Bray D., Lewis J. şi colab. Molecular biology of the cell.

În 3 volume. Volumul 1. M., Mir, 1994.

4. Marea Enciclopedie a lui Chiril și Metodiu 2006

5. Varikash V.M. si altele Fizica in natura vie. Minsk, 1984.

6. Demyankov E.N. Probleme în biologie. M. Vlados, 2004.

7. Nikolaev N.I. Difuzia în membrane. M. Chimie, 1980, p. 76

8. Peryshkin A.V. Fizică. 7. M. Buttard, 2004.

9. Dicționar enciclopedic fizic, M., 1983, p. 174-175, 652, 754

10. Shablovsky V. Fizica distractivă. Sankt Petersburg, „trigon” 1997, p.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” Categorii: Fenomene la nivel atomic | Fenomene termodinamice | Fenomene de transfer | Difuzia

Articolul arată rolul proceselor difuze în plăgile suturate în mod tradițional și metoda propusă de autori. Îmbunătățirea proceselor difuze în răni în timpul tratamentului cu metoda hardware este teoretic justificată.

Problema vindecării rănilor de diverse etiologii este una dintre principalele domenii ale medicinei care nu și-a pierdut importanța până în prezent. Tratamentul acestei patologii în cel mai scurt timp posibil, fără complicații purulente, este posibil numai dacă instituțiile medicale sunt suficient de aprovizionate cu medicamente moderne eficiente pentru vindecarea rănilor.

În vindecarea rănilor, locală și reacție generală organismul este direct dependent de severitatea și caracteristicile leziunilor țesuturilor și organelor. Procesele reactive locale și generale din timpul proceselor de regenerare sunt într-o relație directă și inversă, fiind interdependente și influențându-se reciproc. Baza tratamentului rănilor este capacitatea de a controla cursul procesului rănii. Această problemă se află invariabil în domeniul de vedere al oamenilor de știință și al chirurgilor practicanți.

Un număr mare de metode de tratare a rănilor utilizate aparțin grupului farmacologic. Totodată, au fost propuse un număr mare de dispozitive tehnice pentru tratarea rănilor. Cu toate acestea, cea mai comună metodă de suturare a rănilor este o sutură circulară verticală.

Pielea umană, formată din proteine ​​de colagen, este o membrană naturală ideală care îndeplinește numeroase funcții metabolice și de protecție. Aceste procese se datorează în principal difuziei. Difuzia (din latină diffusio - răspândire, răspândire), pătrunderea reciprocă a substanțelor care vin în contact unele în altele datorită mișcării particulelor substanței.

Difuzia este un proces la nivel molecular și este determinat de natura aleatorie a mișcării moleculelor individuale. Viteza de difuzie este deci proporțională cu viteza medie a moleculelor. Difuzia are loc în direcția scăderii concentrației unei substanțe și duce la o distribuție uniformă a substanței pe întregul volum pe care îl ocupă (pentru a egaliza potențialul chimic al substanței).

Rolul proceselor difuze în patogeneza și tratamentul vindecării rănilor este foarte mare. De exemplu, în transplantul de piele, grosimea lambourilor joacă un rol imens în vindecarea rănilor de arsuri, deoarece are un efect pozitiv asupra proceselor de difuzie între grefă și suprafața plăgii.

Cu toate acestea, semnificația proceselor difuze într-o rană nu a fost practic studiată. Marginile plăgii sunt sisteme conductoare în care procesele difuze ar trebui să aibă loc în condiții normale. Acest proces este prezentat schematic în Figura 1.

Schema schematică arată că rana chirurgicală (1), suturată cu suturi verticale circulare tradiționale conform clasificării lui A.N Golikov, prezintă anumite dezavantaje. Sutura chirurgicală (2), care este un mijloc de apropiere a marginilor plăgii, realizează ischemia completă (5) a țesutului, ceea ce duce la formarea de „zone tăcute” pentru trecerea proceselor de difuzie, care conduce la deformarea (4) a vectorului de difuzie (3). Ca urmare, sutura chirurgicală utilizată în mod tradițional duce la formarea artificială a unor zone de țesut care nu sunt implicate în procesele de regenerare. Mai mult, în cazuri nefavorabile, aceste „defecte tisulare” sunt surse de formare a focarelor procesului infecțios. Pentru că, ca urmare, țesutul, lipsit de acces la nutrienți, oxigen etc., devine necrotic, ceea ce se termină cu formarea unei cicatrici. În caz contrar, masele necrotice de țesut sunt un teren favorabil de reproducere pentru agenții patogeni.

Metoda hardware a primit un document de securitate de la Institutul Național de Proprietate Intelectuală al Republicii Kazahstan nr. 13864 din 15 august 2007. Principiul principal al metodei propuse este închiderea strânsă a marginilor rănilor între ele folosind tehnici fizice și mecanice. O linie de nailon de lungime suficientă este aplicată de-a lungul marginii plăgii, creând un „arc de ligatură”, care este fixat la capete de capetele aparatului proiectat de autor.

Aparatul autorului, la asamblare, are forma unui cadru, sub forma unui paralelogram patruunghiular, ale cărui laturi sunt formate din tije, iar capetele sunt bare mobile amplasate și fixate de tije cu două piulițe la ambele capete. a știfturilor; găuri de același diametru sunt găurite pe barele mobile pentru tijele și fixarea firelor de legătură (Fig. 2).

procesele de regenerare. Eficacitatea metodei hardware a fost dovedită experimental și clinic.

Astfel, a fost propusă o justificare teoretică a eficacității metodei hardware propuse în comparație cu metodele tradiționale de sutură a plăgii. Acest lucru se datorează unei creșteri a presiunii pe zona plăgii, (datorită caracteristicilor de proiectare ale dispozitivului) care duce la o creștere locală a ratei de difuzie.

Literatură

1. Golikov A.N. Vindecarea unei plăgi granulare închisă cu suturi. – Moscova: 1951. – 160 p.
2. Waldorf H., Fewres J. Vindecarea rănilor // Adv. Derm. – 1995. Nr. 10. – P. 77–96.
3. Abaturova E.K., Baimatov V.N., Batyrshina G.I. Influența biostimulanților asupra procesului plăgii // Morfologie. – 2002. – T. 121, nr. 2–3. – P.6.
4. Kochnev O.S., Izmailov G.S. Metode de suturare a rănilor. – Kazan: 1992. – 160 p.
5. Kiselev S.I. Importanța resurselor pielii donatorului în alegerea tacticii chirurgicale raționale la pacienții cu arsuri profunde: Rezumat al tezei. ...candidat la științe medicale. Ryazan, 1971. 17 p.

Zharalardy emdeu biologiesyndagy difuzie

Tuyin Makalada adettegi addispen zhane makala avtorlarymen usynylyp otyrgan aparat adistin zharalard emdeudeg difuzie procesor turaly itylgyn. Zharalard difuzie protsessterdin aparatusa adistin zhaksargany teoria zhuzinde daleldip korsetildi.

DIFUZIA INBIOLOGIEVindecarea

Abstract Articolul arată rolul proceselor difuze în plăgile suturate în mod tradițional și metoda propusă de autori. Procesele difuze în plăgi au fost justificate teoretic.

Esirkepov M.M., Nurmashev B.K., Mukanova U.A.

Academia Medicală de Stat din Kazahstanul de Sud, Shymkent

Absolut toți oamenii au auzit despre un astfel de concept precum difuzarea. Acesta a fost unul dintre subiectele de la lecțiile de fizică din clasa a VII-a. În ciuda faptului că acest fenomen ne înconjoară absolut peste tot, puțini oameni știu despre el. Ce înseamnă oricum? Ce este sens fizic, și cum puteți face viața mai ușoară cu ajutorul lui? Astăzi vom vorbi despre asta.

In contact cu

Difuzia în fizică: definiție

Acesta este procesul de penetrare a moleculelor unei substanțe între moleculele unei alte substanțe. În termeni simpli, acest proces poate fi numit amestecare. În timpul acesta amestecarea are loc pătrunderea reciprocă a moleculelor unei substanțe între ele. De exemplu, la prepararea cafelei, moleculele de cafea instant pătrund în moleculele de apă și invers.

Viteza acestui proces fizic depinde de următorii factori:

1. Temperatura.
2. Starea agregată a unei substanțe.
3. Influență externă.

Cu cât temperatura unei substanțe este mai mare, cu atât moleculele se mișcă mai repede. Prin urmare, proces de amestecare apare mai repede la temperaturi ridicate.

starea agregată a materiei - cel mai important factor. În fiecare stare de agregare, moleculele se mișcă cu o anumită viteză.

Difuzia poate apărea în următoarele stări de agregare:

1. Lichid.
2. Solid.

Cel mai probabil, cititorul va avea acum următoarele întrebări:

1. Care sunt cauzele difuziei?
2. Unde se întâmplă mai repede?
3. Cum se aplică în viața reală?

Răspunsurile la acestea pot fi găsite mai jos.

Cauze

Absolut totul pe lumea asta are propriul său motiv. ȘI difuzia nu face excepție. Fizicienii înțeleg perfect motivele apariției sale. Cum le putem transmite unei persoane obișnuite?

Cu siguranță toată lumea a auzit că moleculele sunt în continuă mișcare. Mai mult, această mișcare este dezordonată și haotică, iar viteza ei este foarte mare. Datorită acestei mișcări și coliziunii constante a moleculelor, are loc pătrunderea lor reciprocă.

Există vreo dovadă a acestei mișcări? Cu siguranță! Îți amintești cât de repede ai început să simți mirosul de parfum sau deodorant? Și mirosul mâncării pe care o pregătește mama ta în bucătărie? Amintește-ți cât de repede pregătirea ceaiului sau a cafelei. Toate acestea nu s-ar fi putut întâmpla dacă nu ar fi fost mișcarea moleculelor. Concluzionăm că principalul motiv al difuziei este mișcarea constantă a moleculelor.

Acum rămâne o singură întrebare - ce a provocat această mișcare? Este condus de dorința de echilibru. Adică, într-o substanță există zone cu concentrații mari și scăzute ale acestor particule. Și datorită acestei dorințe, se deplasează constant dintr-o zonă de concentrare mare la o concentrație scăzută. Sunt în mod constant se ciocnesc unul de altul, iar pătrunderea reciprocă are loc.

Difuzia în gaze

Procesul de amestecare a particulelor în gaze este cel mai rapid. Poate apărea atât între gaze omogene, cât și între gaze cu concentrații diferite.

Exemple vii din viață:

1. Simți mirosul de odorizant prin difuzie.
2. Miroși mâncarea gătită. Rețineți că începeți să-l simțiți imediat, dar mirosul de odorizant după câteva secunde. Acest lucru se explică prin faptul că la temperaturi ridicate viteza de mișcare a moleculelor este mai mare.
3. Lacrimile pe care le primești când tăiați ceapa. Moleculele de ceapă se amestecă cu moleculele de aer, iar ochii tăi reacţionează la acest lucru.

Cum are loc difuzia în lichide?

Difuzia în lichide este mai lentă. Poate dura de la câteva minute la câteva ore.

Cele mai izbitoare exemple din viață:

1. Pregătirea ceaiului sau a cafelei.
2. Se amestecă apă și permanganat de potasiu.
3. Pregătirea unei soluții de sare sau sifon.

În aceste cazuri, difuzia are loc foarte rapid (până la 10 minute). Cu toate acestea, dacă procesului se aplică o influență externă, de exemplu, amestecând aceste soluții cu o lingură, atunci procesul va merge mult mai repede și nu va dura mai mult de un minut.

Difuzia la amestecarea lichidelor mai groase va dura mult mai mult. De exemplu, amestecarea a două metale lichide poate dura câteva ore. Desigur, puteți face acest lucru în câteva minute, dar în acest caz va funcționa aliaj de calitate scăzută.

De exemplu, difuzarea la amestecarea maionezei cu smântâna va dura foarte mult timp. Cu toate acestea, dacă apelați la ajutorul influenței externe, atunci acest proces nu va dura nici măcar un minut.

Difuzia în solide: exemple

În solide, pătrunderea reciprocă a particulelor are loc foarte lent. Acest proces poate dura câțiva ani. Durata sa depinde de compoziția substanței și de structura rețelei sale cristaline.

Experimente care demonstrează că există difuzie în solide.

1. Aderența a două plăci din metale diferite. Dacă țineți aceste două plăci aproape una de alta și sub presiune, în termen de cinci ani va exista un strat de 1 milimetru lățime între ele. Acest strat mic va conține molecule ale ambelor metale. Aceste două plăci vor fi topite împreună.
2. Un strat foarte subțire de aur este aplicat pe un cilindru subțire de plumb. După care această structură se pune la cuptor timp de 10 zile. Temperatura aerului din cuptor este de 200 de grade Celsius. După ce acest cilindru a fost tăiat în discuri subțiri, se vedea foarte clar că plumbul pătrunsese în aur și invers.

Exemple de difuzie în mediu

După cum ați înțeles deja, cu cât mediul este mai dur, cu atât rata de amestecare a moleculelor este mai mică. Acum haideți să vorbim despre unde în viața reală puteți obține beneficii practice din asta fenomen fizic.

Procesul de difuzie are loc în viața noastră constant. Chiar și atunci când stăm întinși pe pat, un strat foarte subțire al pielii noastre rămâne pe suprafața cearșafului. De asemenea, absoarbe transpirația. Din această cauză patul se murdărește și trebuie schimbat.

Deci, manifestarea acestui proces în viața de zi cu zi poate fi după cum urmează:

1. Când întindeți untul pe pâine, acesta se absoarbe în el.
2. La murarea castraveților, sarea difuzează mai întâi odată cu apa, după care apa sărată începe să difuzeze odată cu castraveții. Drept urmare, obținem o gustare delicioasă. Băncile trebuie să fie suflate. Acest lucru este necesar pentru a vă asigura că apa nu se evaporă. Mai exact, moleculele de apă nu ar trebui să difuzeze cu moleculele de aer.
3. La spălarea vaselor, moleculele de apă și detergent pătrund în moleculele bucăților rămase de alimente. Acest lucru îi ajută să se desprindă de pe farfurie și să o facă mai curată.

Manifestarea difuziei în natură:

1. Procesul de fertilizare are loc tocmai datorită acestui fenomen fizic. Moleculele ovulului și spermatozoizilor difuzează, după care apare embrionul.
2. Fertilizarea solului. Prin utilizarea anumitor substanțe chimice sau compost, solul devine mai fertil. De ce se întâmplă asta? Ideea este că moleculele de îngrășământ difuzează cu moleculele de sol. După care are loc procesul de difuzie între moleculele solului și rădăcina plantei. Datorită acestui lucru, sezonul va fi mai productiv.
3. Amestecarea deșeurilor industriale cu aerul îl poluează foarte mult. Din această cauză, aerul pe o rază de un kilometru devine foarte murdar. Moleculele sale difuzează cu molecule de aer curat din zonele învecinate. Așa se deteriorează situația mediului în oraș.

Manifestarea acestui proces în industrie:

1. Siliconizarea este procesul de saturare prin difuzie cu siliciu. Se efectuează în atmosferă gazoasă. Stratul saturat de siliciu al piesei nu are duritate foarte mare, dar rezistență ridicată la coroziune și rezistență crescută la uzură în apă de mare, acizi azotic, clorhidric și sulfuric.
2. Difuzia în metale joacă un rol important în fabricarea aliajelor. Pentru a obține un aliaj de înaltă calitate, este necesar să se producă aliaje la temperaturi ridicate și cu influențe externe. Acest lucru va accelera semnificativ procesul de difuzie.

Aceste procese apar în diferite industrii:

1. Electronic.
2. Semiconductor.
3. Inginerie mecanică.

După cum înțelegeți, procesul de difuzare poate avea atât efecte pozitive, cât și negative asupra vieții noastre. Trebuie să fiți capabil să vă gestionați viața și să maximizați beneficiile acestui fenomen fizic, precum și să minimizați răul.

Acum cunoașteți esența unui astfel de fenomen fizic precum difuziunea. Constă în pătrunderea reciprocă a particulelor datorită mișcării lor. Și în viață absolut totul se mișcă. Dacă ești student, atunci după ce ai citit articolul nostru vei primi cu siguranță nota 5. Mult succes!

Difuzia

Un exemplu de difuzie este amestecarea gazelor (de exemplu, răspândirea mirosurilor) sau a lichidelor (dacă cerneala este aruncată în apă, lichidul va deveni uniform colorat după un timp). Un alt exemplu este asociat cu un solid: atomii de metale în contact se amestecă la limita de contact. Difuzia particulelor joacă un rol important în fizica plasmei.

De obicei, difuzia este înțeleasă ca procese însoțite de transferul de materie, dar uneori alte procese de transfer sunt numite și difuzie: conductivitate termică, frecare vâscoasă etc.

Viteza de difuzie depinde de mulți factori. Astfel, in cazul unei tije metalice, difuzia termica are loc foarte repede. Dacă tija este realizată dintr-un material sintetic, difuzia termică are loc lent. Difuzia moleculelor în cazul general se desfășoară și mai lent. De exemplu, dacă o bucată de zahăr este pusă pe fundul unui pahar cu apă și apa nu este amestecată, va dura câteva săptămâni până când soluția devine omogenă. Difuzia unei substanțe solide în alta are loc și mai lent. De exemplu, dacă cuprul este acoperit cu aur, atunci va avea loc difuzia aurului în cupru, dar în condiții normale (temperatura camerei și presiunea atmosferică) stratul purtător de aur va atinge o grosime de câțiva microni abia după câteva mii de ani.

O descriere cantitativă a proceselor de difuzie a fost făcută de fiziologul german A. Fick ( Engleză) în 1855

descriere generala

Toate tipurile de difuzie se supun acelorași legi. Viteza de difuzie este proporțională cu aria secțiunii transversale a probei, precum și cu diferența de concentrații, temperaturi sau încărcături (în cazul valorilor relativ mici ale acestor parametri). Astfel, căldura se va răspândi de patru ori mai repede printr-o tijă cu diametrul de doi centimetri decât printr-o tijă cu diametrul de un centimetru. Această căldură se va răspândi mai repede dacă diferența de temperatură pe un centimetru este de 10°C în loc de 5°C. Viteza de difuzie este, de asemenea, proporțională cu parametrul care caracterizează un anumit material. În cazul difuziei termice, acest parametru se numește conductivitate termică, în cazul fluxului sarcinilor electrice - conductivitate electrică. Cantitatea de substanță care difuzează într-un timp dat și distanța parcursă de substanța care difuzează sunt proporționale cu rădăcina pătrată a timpului de difuzie.

Difuzia este un proces la nivel molecular și este determinat de natura aleatorie a mișcării moleculelor individuale. Viteza de difuzie este deci proporțională cu viteza medie a moleculelor. În cazul gazelor, viteza medie a moleculelor mici este mai mare și anume este invers proporțională cu rădăcina pătrată a masei moleculei și crește odată cu creșterea temperaturii. Procesele de difuzie în solide la temperaturi ridicate găsesc adesea aplicații practice. De exemplu, anumite tipuri de tuburi catodice (CRT) folosesc toriu metal difuzat prin metal tungsten la 2000 °C.

Dacă într-un amestec de gaze masa unei molecule este de patru ori mai mare decât a alteia, atunci o astfel de moleculă se mișcă de două ori mai lentă decât mișcarea sa într-un gaz pur. În consecință, rata sa de difuzie este, de asemenea, mai mică. Această diferență în viteza de difuzie a moleculelor ușoare și grele este utilizată pentru a separa substanțe cu greutăți moleculare diferite. Un exemplu este separarea izotopilor. Dacă un gaz care conține doi izotopi este trecut printr-o membrană poroasă, izotopii mai ușori trec prin membrană mai repede decât cei mai grei. Pentru o mai bună separare, procesul se desfășoară în mai multe etape. Acest proces a fost utilizat pe scară largă pentru a separa izotopii de uraniu (separarea 235 U de 238 U în vrac). Deoarece această metodă de separare necesită multă energie, au fost dezvoltate alte metode de separare mai economice. De exemplu, utilizarea difuziei termice într-un mediu gazos este larg dezvoltată. Un gaz care conține un amestec de izotopi este plasat într-o cameră în care se menține o diferență de temperatură spațială (gradient). În acest caz, izotopii grei sunt concentrați în regiunea rece în timp.

Ecuațiile lui Fick

Din punctul de vedere al termodinamicii, potențialul de conducere al oricărui proces de nivelare este o creștere a entropiei. La presiune și temperatură constante, rolul unui astfel de potențial este potențialul chimic µ , care determină menținerea fluxurilor de materie. Curgerea particulelor de materie este proporțională cu gradientul de potențial

~

În cele mai multe cazuri practice, concentrația este utilizată în locul potențialului chimic C. Înlocuire directă µ pe C devine incorectă în cazul concentrațiilor mari, întrucât potențialul chimic nu mai este legat de concentrație conform legii logaritmice. Dacă nu luăm în considerare astfel de cazuri, atunci formula de mai sus poate fi înlocuită cu următoarea:

ceea ce arată că densitatea de flux a substanţei J proporţional cu coeficientul de difuzie D[()] și gradientul de concentrație. Această ecuație exprimă prima lege a lui Fick. A doua lege a lui Fick se referă la schimbările spațiale și temporale ale concentrației (ecuația de difuzie):

Coeficientul de difuzie D depinde de temperatura. Într-un număr de cazuri, pe o gamă largă de temperaturi, această dependență este ecuația Arrhenius.

Un câmp suplimentar aplicat paralel cu gradientul de potențial chimic perturbă starea de echilibru. În acest caz, procesele de difuzie sunt descrise de ecuația neliniară Fokker-Planck. Procesele de difuzie sunt de mare importanță în natură:

• Nutriția, respirația animalelor și plantelor;
• Pătrunderea oxigenului din sânge în țesuturile umane.

Descrierea geometrică a ecuației Fick

În a doua ecuație Fick, în partea stângă este rata de modificare a concentrației în timp, iar în partea dreaptă a ecuației este derivata a doua parțială, care exprimă distribuția spațială a concentrației, în special, convexitatea temperaturii. funcția de distribuție proiectată pe axa x.

Vezi si

• Difuzia de suprafață este un proces asociat cu mișcarea particulelor care are loc pe suprafața unui corp condensat în primul strat de suprafață de atomi (molecule) sau deasupra acestui strat.

Note

Literatură

• Bokshtein B.S. Atomii rătăcesc în jurul cristalului. - M.: Nauka, 1984. - 208 p. - (Biblioteca „Quantum”. Numărul 28). - 150.000 de exemplare.

Legături

• Difuzie (lectie video, program de clasa a VII-a)
• Difuzia atomilor de impurități pe suprafața unui singur cristal

Fundația Wikimedia. 2010.

Sinonime:

Vedeți ce este „Difuziunea” în alte dicționare:

- [lat. difuzie distribuţie, răspândire] fizică, chimică. pătrunderea moleculelor unei substanțe (gaz, lichid, solid) în alta prin contact direct sau printr-un despărțitor poros. Dicționar de cuvinte străine. Komlev N.G.,... ... Dicționar de cuvinte străine ale limbii ruse

Difuzia- – pătrunderea în mediul înconjurător a particulelor unei substanțe de către particulele unei alte substanțe, care apare ca urmare a mișcării termice în direcția scăderii concentrației unei alte substanțe. [Blum E.E. Dicţionar de termeni metalurgici de bază. Ekaterinburg… Enciclopedie de termeni, definiții și explicații ale materialelor de construcție

Enciclopedie modernă

- (din latină diffusio, răspândire, dispersie), mișcarea particulelor unui mediu, care duce la transferul unei substanțe și egalizarea concentrațiilor sau stabilirea unei distribuții de echilibru a concentrațiilor de particule de un anumit tip în mediu. În lipsa… … Dicţionar enciclopedic mare

DIFUZIA, mișcarea unei substanțe într-un amestec dintr-o zonă de concentrație mare într-o zonă de concentrație scăzută, cauzată de mișcarea aleatorie a atomilor sau moleculelor individuale. Difuzia se oprește când gradientul de concentrație dispare. Viteza…… Dicționar enciclopedic științific și tehnic

difuziune- și, f. difuzie f. germană Difuzie lat. difuzio răspândire, răspândire. Pătrunderea reciprocă a substanțelor în contact unele în altele datorită mișcării termice a moleculelor și atomilor. Difuzia de gaze și lichide. BAS 2. || trans. Ei… … Dicţionar istoric Galicisme ale limbii ruse

Difuzia- (din latinescul diffusio distribuție, răspândire, dispersie), mișcarea particulelor mediului, ducând la transferul de materie și egalizarea concentrațiilor sau stabilirea distribuției lor de echilibru. De obicei, difuzia este determinată de mișcarea termică... ... Dicţionar Enciclopedic Ilustrat

Mișcarea particulelor în direcția scăderii concentrației lor, cauzată de mișcarea termică. D. duce la egalizarea concentrațiilor substanței care difuzează și la umplerea uniformă a volumului cu particule.... ... Enciclopedie geologică