Диффузия кислорода в воде

Содержание
  1. Кислород: создаём в аквариуме условия, приближенные к природным
  2. Роль кислорода в живой природе
  3. Сколько кислорода может раствориться в воде?
  4. Для всех ли аквариумов необходимо аквариумное оборудование?
  5. Кто потребляет кислород в аквариуме?
  6. Аквариумные рыбы и кислород
  7. Приборы обеспечения аквариумов кислородом
  8. Зависимость кислородного оборудования аквариума от электричества
  9. Источники бесперебойного питания AQUASKAT
  10. Внимание! Для питания аквариумного оборудование не допускается использование компьютерного UPS! 
  11. Все, что необходимо знать о кислороде и атмосферном воздухе перед тем, как изучать физиологию дыхания
  12. Роль кислорода в дыхании животных
  13. Из чего состоит атмосферный воздух?
  14. Высота и атмосферное давление
  15. Растворимость газов в воде
  16. Диффузия газов
  17. Заключение
  18. Диффузия в жидкости: условия процесса, примеры. Опыты с жидкостями
  19. Определение
  20. Разновидности
  21. Особенности протекания
  22. Закон Фика
  23. Особенности явления
  24. Эксперименты
  25. Биологические системы
  26. Страницы истории

Кислород: создаём в аквариуме условия, приближенные к природным

Диффузия кислорода в воде

Для создания условий жизни водных обитателей в аквариуме аквариумисту необходимы знания биологических процессов, которые происходят в нашем искусственном водоеме. Пример таких процессов находим в природе.

Техногенные факторы, которыми человек воздействует на природу, уже привели к исчезновению некоторых разновидностей животных рыб и растений, которые содержатся ныне только в искусственной среде. И поэтому важно сохранить исчезающие виды хотя бы в условиях аквариума.

Задача аквариумиста — постараться создать условия в аквариуме, приближенные к природным. Тогда водные обитатели проявят палитру красок, порадуют бойким поведением, аппетитом и конечно же дадут потомство.

Роль кислорода в живой природе

Еще с начальной школы известно, что для живых организмов на Земле кислород — жизненный элемент первой необходимости, так как живые организмы дышат, поглощают кислород.

Поступая в клетки тела животного или растения, кислород вступает в реакцию с выделением энергии которая идет на те или иные жизненные процессы и углекислого газа (СО2), который выводится из организма, так как действует как яд.

Понять механизмы дыхания рыб и водных растений можно, разобравшись в реакциях растворения кислорода и углекислого газа в воде.

Основные газы, растворенные в воде и их соотношение в частях:

углекислый газкислородазот
7021

Количество газов в воде пропорционально показателям растворимости. Растворенные газы присутствуют в воде, поступая из атмосферного воздуха, или образуются непосредственно в аквариуме. Кислород образуется в результате фотосинтеза, при наличии живых растений в аквариуме, а в отсутствии растений — только из атмосферного воздуха и благодаря аэрации.

Для кислорода коэффициент диффузии в воздухе равен 11, а в воде – 0,000034 или в 320 000 раз ниже! А это означает, что условия для добывания кислорода у водных организмов намного хуже, чем у наземных.

Сколько кислорода может раствориться в воде?

В воде содержание кислорода в 20-30 раз меньше, чем в том же объёме воздуха. Количество кислорода, который растворяется в воде, называется нормальным.

Коэффициент растворимости кислорода при 0 °С равен 0,04898 и в случае нормального давления этого газа, равного 60 мл рт.ст. (210 мл О2 в 1л. воздуха), в 1 л. воды будет растворено -210*0,04898=10,29 О2).

С повышением температуры и солёности воды коэффициент растворимости уменьшается, и нормальное количество кислорода снижается.

[attention type=yellow]

При температуре 10°С максимальная растворимость кислорода составляет 11,3 мг/л, при 25°С -8,2мг/л, а в морской воде, при 25°С -4,8 мг/л.

[/attention]

кислорода в аквариуме определяется равновесием между потреблением (окисление органики, дыхание) и пополнением (фотосинтез, аэрация, поверхностная диффузия).

Понятно, что потребление кислорода связано с количеством аэробных (потребляющих кислород) организмов, чем аэробов больше, тем быстрее потребляется кислород.

Для всех ли аквариумов необходимо аквариумное оборудование?

В результате диффузии в стоячей воде молекула кислорода погружается на 1 см за час.

В течение суток без перемешивания воды молекула не дойдет до дна аквариума, и, соответственно, не обеспечит необходимого содержания кислорода у дна аквариума, где живут аэробные микроорганизмы.

Поэтому модные аквариумы-шары с лабиринтовыми рыбками при возможном перекорме рыбы лишаются нужных бактерий, некому перерабатывать остатки корма и экскременты, параметры воды скачут, рыбы слабеют и погибают!

Такие ситуации часто встречаются у новичков, которые упорно верят, что в аквариумах с лабиринтовыми рыбками не нужна никакая техника. Лабиринтовые рыбки дышат атмосферным кислородом, но бактерии – нет.

Кто потребляет кислород в аквариуме?

Потребляют кислород рыбы, растения и бактерии. Бактерии живут в аквариуме и влияют на содержание кислорода, а численность бактерий регулируется количеством органического вещества в аквариуме.

В аквариумах, в которых регулярно проводится очищение грунта, удаляются излишки органических веществ, содержание кислорода выше по сравнению с аквариумами, загрязненными органикой. Запущенные аквариумы с большим количеством ила на дне похожи по происходящим биологическим процессам на озера эвтрофного типа.

Во время летней и зимней стагнации в озерах кислород в дефиците, и в придонном слое создаются анаэробные (бескислородные) условия.

[attention type=red]

В старом аквариуме верхний слой грунта с большим количеством органики еще содержит кислород, а нижний слой, как в случае с эвтрофным озером, переходит в анаэробную зону, а это чревато образованием сероводорода и метана, крайне опасных газов.

[/attention]

В природных условиях: в реках, ручьях из-за постоянного перемешивания воды зон с резким недостатком кислорода нет. Поэтому подбирая фильтрующую технику для нашего аквариума, обратите внимание на производительность, пусть фильтр пропускает через себя минимум 2-3 объема аквариума в час.

Аквариумные рыбы и кислород

По отношению к кислороду водные организмы делятся на эвриоксибионтных (выживают при колебаниях уровня кислорода) и стенооксибионтных (колебания кислорода исключаются).

Концентрация кислорода, необходимая для нормальной работы органов рыбы, определяется:

  1. Размером рыбы (чем рыба больше, тем рыбе нужно больше кислорода).

  2. Возрастом (скорость и уровень обмена веществ различается у старой и молодой рыбы).

  3. Физиологическим состоянием (в стрессе, например, во время транспортировки, потребление кислорода возрастает).

Потребность в кислороде выше у тех рыб, которые в природе живут в бурных реках или подвижны. Например, Данио и Рерио. Минимальная необходимая концентрация для этих рыб кислорода составляет 5мг/л.

Данио легко переносят понижение содержания кислорода, так как держатся преимущественно в верхнем слое воды, где содержание кислорода выше.

Понаблюдав за теми же Данио, замечаешь, что, если рыбки опускаются до дна аквариума и весело резвятся, используя толщу воды — содержание кислорода будет приемлемо и для других рыб.

Для малоподвижных рыб, например, сомика агамиксиса, концентрация кислорода 1мг/л достаточна.

Обмен веществ у рыб и других пойкилотермных животных определяется температурой окружающей среды, и, чем теплее, тем обмен веществ быстрее, и соответственно, требуется большее количество кислорода.

Например, карпы кои в пруду при температуре воды 3 °С потребляют 8 мг. кислорода на килограмм веса, а при 25 °С — 240 мг.

При содержании рыб в аквариумах, поддерживайте достаточное содержание кислорода и снижайте уровень углекислого газа (если это не аквариум-травник).

Приборы обеспечения аквариумов кислородом

Добивайтесь этого путем простой аэрации при помощи компрессора и распылителя, дающего наименьшие по диаметру пузырьки. Чем меньше диаметр пузырька, тем медленнее кислород поднимается к поверхности воды, и, значит, увеличивается время диффузии, кислород лучше и быстрее насытит воду кислородом.

Рекомендуется устанавливать распылитель у выхода фильтра, так, чтобы пузырьки захватывались током воды и разносились по аквариуму, тем улучшается растворимость кислорода.

В аквариуме-травнике с большим количеством растений старайтесь создать условия для фотосинтеза – яркий свет, дополнительная подача углекислого газа, внесение удобрений. В результате сами растения выделяют такое количество кислорода, что растения, словно жемчугом покрыты пузырьками кислорода. Но правильно рассчитывать количество рыб на объем аквариума при этом так же важно.

Зависимость кислородного оборудования аквариума от электричества

В этом материале рассмотрен третий из этапов подготовки в аквариуме приближенных к природным условий:

1. Правильно подобрано количество рыбы для аквариума.

2. Установлено фильтровальное оборудование.

3. Настроено биологическое равновесие, аквариум обеспечен кислородом.

Но задействованные в поддержании биологического равновесия приборы питаются электричеством… Если произойдет отключение электросети, аэрация, фильтр, свет перестанут функционировать.

Микроорганизмы, о которых позаботились при запуске аквариума, пострадают и даже погибнут.

[attention type=green]

Аэробные бактерии гибнут уже через два часа, и это в фильтре, в котором малое количество органики! В «грязном» фильтре процесс гибели бактерий происходит быстрее, окисляется органическое вещество, в канистре фильтра кислород «улетает» очень быстро!

[/attention]

Предупредить отключение подачи кислорода помогут источники бесперебойного питания для аквариумного оборудования серии AQUASKAT.

Предназначены эти бесперебойники для внутренних и внешних фильтров, компрессоров, насосов и характеризуются напряжением 220 В, мощностью 50 ВА – 1000 ВА.

 При отключении электричества, пропадании сети, происходит автоматический переход на резервное питание от аккумулятора, встроенного или внешнего.

Источники бесперебойного питания AQUASKAT

AQUASKAT AS-UPS 50+ — автоматический переход на резервное питание от аккумулятора (поставляется отдельно) при пропадании сети. Корпус рассчитан под установку аккумулятора 7 Ач. Есть возможность установки внешнего аккумулятора (время резерва до нескольких суток).

AQUASKAT AS-UPS 50 Li-ion — автоматический переход на резервное питание от встроенного Li-ion аккумулятора. Прерывистый режим работы продлевает время автономной работы.

AQUASKAT AS-UPS 250+ — ИБП для аквариумного оборудования с большим потреблением электроэнергии. Автоматический переход на резервное питание от аккумулятора (поставляется отдельно) при пропадании сети. Корпус рассчитан под установку аккумулятора до 40 Ач. Возможность включения и выключения прерывистого режима работы.

AQUASKAT AS-UPS 1000 — автоматический переход на резервное питание от аккумулятора (поставляется отдельно) при пропадании сети. Необходимое количество аккумуляторов — 2 штуки, ёмкостью от 40 Ач до 200 Ач.

Внимание! Для питания аквариумного оборудование не допускается использование компьютерного UPS! 

Для этого есть две причины:

  1. Форма выходного напряжения. Для питание аквариумного оборудования в состав которого входит электродвигатель (компрессор, аэратор, фильтр и прочие) не допускается подавать напряжение в форме меандра! Это приводит к повышению шума, увеличению износа, перегреву и, как следствие, к выходу из строя.
  2. Малое время резерва. Обычный UPS предназначен для корректного завершения работы компьютера при отключении электричества, и время резерва составляет порядка 5-10 минут. Такой резерв не спасет обитателей аквариума при серьезной аварии в электросети.

Серия AQUASKAT AS-UPS разработана специально для аквариумного оборудования и имеет на выходе чистый синус для корректной работы электродвигателей и обеспечивает продолжительное время резерва, при отключении электричества, более 8 часов.

Где купить

Купить недорого надежный термостат производства «Бастион» Вы всегда можете в магазинах фирменной сети «Скат» в городах Москва, Санкт-Петербург, Ростов-на-Дону, Новосибирск.

Источник: https://skat-ups.ru/articles/kislorod-o2/

Все, что необходимо знать о кислороде и атмосферном воздухе перед тем, как изучать физиологию дыхания

Диффузия кислорода в воде

Обзор литературы

физиология

Почему кислород играет ключевую роль в процессах дыхания, из чего состоит атмосферный воздух, какие факторы влияют на его состав, как происходит газообмен между различными средами и что такое диффузия газов – на все эти вопросы необходимо ответить, чтобы понимать основы физиологии дыхания. Я постарался изложить тему как можно проще: не включать никаких формул, лишь дать общие концепции с несколькими наглядными примерами.

Роль кислорода в дыхании животных

Все живые организмы используют энергию, которую они получают из окружающей среды. Большинство растений синтезируют сахара и другие органические структуры, из которых они состоят, при помощи углекислого газа, воды и энергии солнечного света.

Животные же для получения энергии окисляют органические соединения, которые получают из растений, бактерий или других животных, поедая их. Процесс окисления может происходить как без участия кислорода – гликолиз, так и в его присутствии – клеточное дыхание.

[attention type=yellow]

Преимущество последнего объясняется тем, что при наличии кислорода процесс окисления проходит с выделением энергии почти в 20 раз больше, чем без него (см. схему справа, подробнее читайте здесь).

[/attention]

Именно поэтому для сложноорганизованных видов животных, требующих больших энергетических затрат на развитие и функционирование, кислород является ключевым посредником энергии, без которого немыслимо их существование.

Еще в древности дыхание служило признаком того жив организм или мертв. Простыми словами, дыхание – это процесс поглощения кислорода и выделения углекислого газа.

Небольшие животные могут удовлетворять нужды организма в кислороде при помощи дыхания поверхностью тела, например дождевые черви. Но большинство животных имеет специализированные органы, такие как жабры, трахеи и легкие.

 Однако, прежде чем углубляться в физиологию дыхания, необходимо четко понимать физические и химические свойства кислорода и углекислого газа как в воде, так и в атмосферном воздухе.

Из чего состоит атмосферный воздух?

Сухой атмосферный воздух состоит из четырех основных компонентов: кислорода (20.95%), углекислого газа (0.03%), азота (78.09%) и аргона (0.93%).

Аргон и азот практически не оказывают физиологического эффекта на организм животных, поэтому физиологи их часто объединяют в одну категорию “Азот” [78.09 (N) + 0.93 (Ar) = 79.02%].

Другим важным компонентом атмосферного воздуха является водяной пар, концентрация которого сильно варьируется в зависимости от температуры, наличия водоемов и скорости ветра. Так например, при 0°С, содержание водяного пара в воздухе над водоемом равняется 4.8 мг/литр воздуха.

В то время как при температуре 37°С водяного пара будет в девять раз больше (43.9 мг/литр), что составит 6.2% от общего объема воздуха и, следственно пропорционально уменьшит содержание кислорода и других газов в воздухе.

Внутри легких человека и других позвоночных животных, воздух всегда насыщен влагой (максимум от возможного содержания водяного пара в воздухе при определенной температуре тела). В таком случае, можно сказать, что относительная влажность воздуха внутри наших легких равняется 100%.

Однако, зачастую во внешней среде воздух содержит меньшее количество влаги, чем максимум для данной температуры. В таких случаях, относительная влажность воздуха будет равна процентному соотношению от максимума.

Если же воздух перенасыщен влагой, то излишек влаги превращается в конденсат (например, выдыхаемый изо рта пар на морозе, или выпадение осадков при высокой влажности воздуха и резком понижении температуры).

Высота и атмосферное давление

Восхождение на высокие горы или полет на большой высоте в негерметичной кабине самолета вызывает серьезные физиологические последствия в организме.

На высоте 3000 метров у человека серьезно понижается уровень физической активности, а длительное нахождение на высоте 6000 метров уровнем моря является опасным для жизни.

Почему люди задыхаются на большой высоте? Ведь если мы измерим процентное соотношение кислорода в воздухе, мы получим все те же 20.95%.

[attention type=red]

Дело в том, что с повышением высоты над уровнем моря, атмосферное давление уменьшается, воздух становится более разряженным, в следствии чего масса газов в нем (в том числе и кислорода) тоже уменьшается.

[/attention]

Так, на высоте 6 км атмосферное давление в два раза меньше и кислорода в одном литре воздуха тоже в 2 раза меньше, чем на уровне моря. Именно поэтому многие альпинисты испытывают кислородное голодание (асфиксию) на такой высоте.

Если же при этом относительная влажность воздуха высокая, то развитие высотной болезни и отека легкий усугубляется, т.к. пары воды вытяснят и без того разряженный кислород.

Растворимость газов в воде

Если мы возьмем воду, не содержащую никаких газов, и нальем ее в стакан, в воду начнут проникать газы воздуха, пока не наступит баланс: когда равное количество молекул газа входит и выходит из воды за определенный промежуток времени.

Количество газа, растворенного в воде, зависит от атмосферного давления, температуры и примесей в воде: чем выше температура и количество примесей, тем ниже растворимость газа; в то время как при повышении давления растворимость растет (закон Генри и принцип Ле Шателье).

Эти зависимости объясняют, почему в морской воде кислорода примерно на 20% меньше, чем в пресноводной при одной и той же температуре. Также с повышением температуры от 0 до 30 градусов количество кислорода уменьшается почти в два раза.

Все это объясняет разнообразие физиологических адаптаций у водных организмов, живущиз в тех или иных условиях.

Кроме того, разные газы имеют разную растворимость в воде. Как Вы можете видеть из таблицы, коэффициент растворимости у углекислого газа в 30 раз выше, чем у кислорода (именно поэтому CO2 активно используют при изготовлении газированных напитков). Однако, из-за того, что углекислого газа в атмосфере всего 0.

03%, в воде его также мало относительно других газов. В изолированном водоеме концентрации кислорода и углекислого газа в течение суток могут существенно изменяться.

Это объясняется тем, что днем растения фотосинтезируют: поглащают углекислый газ и выделяют кислород; а ночью, также как и животные, они используют кислород для дыхания, что ведет к уменьшению количества O2 в воде и переизбытку CO2.

Диффузия газов

Самым важным и иногда даже единственным физическим процессом передвижения кислорода из среды в клетки организма является диффузия. Газы имеют свойство перемещаться из пространства с высокой концентрацией в пространство с низкой концентрацией (парциальным давлением).

Именно благодаря диффузии, у человека кислород из легких через альвиолярно-капилярный блок попадает в кровь и затем распространяется по всем клеткам организма. Образовавшийся в результате клеточного дыхания углекислый газ наоборот стремится вырваться в атмосферу, т.к.

 его парциальное давление там ниже (в сравнении с кровью).

И хотя механизм кожного, трахейного и жаберного дыхания отличается от легочного, принцип передвижения кислорода от среды в клетку и углекислого газа из клетки в среду сохраняется за счет диффузии газов. Подробнее об отличиях разных типов дыхания у представителей животного царства читайте в следующих заметках.

Заключение

Теперь вы имеете базовый минимум знаний о природе кислорода и атмосферного воздуха в целом, о растворимости газов и их диффузии. Я надеюсь, эта информация поможет более глубокого понять такой физиологического процесс, как дыхание. Именно ему и будут посвящены две последующих статьи: дыхание в воде и дыхание на суше.

Источник: https://samoedd.com/review/oxygen

Диффузия в жидкости: условия процесса, примеры. Опыты с жидкостями

Диффузия кислорода в воде

Начнем с того, что жидкость является промежуточным агрегатным состоянием. При критической точке кипения она схожа с газами, а при низких температурах проявляются характеристики, аналогичные твердому телу.

У жидкости нет идеальной модели, что существенно усложняет описание ее равновесных термодинамических свойств, температуры замерзания, вязкости, диффузии, теплопроводности, поверхностного натяжения, энтропии, энтальпии.

Определение

Что такое диффузия? Это растекание, распространение, передвижение частиц среды, которое приводит к переносу вещества, установлению равновесных концентраций.

При отсутствии внешних воздействий данный процесс определяется тепловым движением частичек. В этом случае процесс диффузии связан с концентрацией прямо пропорциональной зависимостью.

Диффузионный поток будет меняться аналогично градиенту концентраций.

Разновидности

Если диффузия в жидкости протекает при изменении температур, ее называют термодиффузией, в электрическом поле – электродиффузией.

Процесс движения частиц больших размеров в жидкости либо газе происходит под законам броуновского движения.

Особенности протекания

Диффузия в газах, жидкостях и твердых телах протекает с разной скоростью. Из-за отличий в характере теплового движения частиц в различных средах, максимальную скорость процесс имеет в газах, а минимальный показатель – в твердых телах.

Траекторией движения частицы является ломаная линия, поскольку периодически меняется направление и скорость. Из-за неупорядоченности движения наблюдается постепенное удаление частицы от первоначального положения. Смещение ее по прямой линии значительно короче того пути, который совершается по ломаной траектории.

Закон Фика

Диффузия в жидкости подчиняется двум законам Фика:

  • плотность диффузионного потока прямо пропорциональна концентрации с коэффициентом диффузии;
  • скорость изменения плотности потока диффузии прямо пропорциональна скорости изменения концентрации и имеет обратное направление.

Диффузия в жидкости характеризуется скачками молекул из одного равновесного положения в другое. Каждый такой скачок наблюдается в случае сообщения энергии молекуле в объеме, достаточном для разрыва связи с другими частицами. Средняя величина скачка не превышает расстояния между молекулами.

Рассуждая над тем, что такое диффузия в жидкости, отметим, что процесс зависит от температуры. При ее повышении происходит «разрыхление» структуры жидкости, в результате чего наблюдается резкое увеличение количества перескоков за единицу времени.

Диффузия в газах, жидкостях и твердых телах имеет некоторые отличительные характеристики. Например, в твердых телах механизм связан с перемещением атомов внутри кристаллической решетки.

Особенности явления

Диффузия в жидкости представляет практический интерес благодаря тому, что он сопровождается выравниванием концентрации вещества в изначально неоднородной среде. С участков, имеющих большую концентрацию, частиц уходит значительно больше.

Эксперименты

Опыты с жидкостями показали, что диффузия имеет особое значение в химической кинетике. Во время протекания химического процесса на поверхности реагирующих веществ или катализатора данный процесс способствует определению скорости отвода продуктов реакции и добавлению исходных реагентов.

Чем объясняется диффузия в жидкостях? Молекулы растворителя способны проникать через полупрозрачные мембраны, в результате чего возникает осмотическое давление. Это явление нашло применение в химических и физических методах разделения веществ.

Биологические системы

В этом случае модели диффузии можно рассматривать на примере поступления в легкие кислорода воздуха, всасывания из кишечника в кровь продуктов пищеварения, поглощения корневыми волосками минеральных элементов. Диффузия ионов происходит во время генерирования мышечными и нервными клетками биоэлектрических импульсов.

Физическим фактором, который влияет на избирательность накопления в клетках организма определенных элементов, является разная скорость проникновения ионов через мембраны клеток.

Этот процесс можно выразить законом Фика, заменив величину коэффициента диффузии показателем проницаемости мембраны, а вместо градиента концентрации использовать разность значений с обеих сторон мембраны.

[attention type=green]

При диффузионном проникновении воды и газов в клетку меняются осмотические показатели давления вне и внутри клетки.

[/attention]

Анализируя, от чего зависит диффузия, отметим, что выделяют несколько видов этого процесса. Простая форма связана со свободным переносом ионов и молекул в сторону градиента их электрохимического потенциала. Например, подобный вариант подходит для тех веществ, у которых молекулы имеют незначительные размеры, например, метиловый спирт, вода.

Ограниченный вариант предполагает слабый перенос вещества. Например, в клетку не способны проникать даже небольшие по размерам частицы.

Страницы истории

Диффузия была открыта во время расцвета древнегреческой культуры. Демокрит и Анаксогор были убеждены в том, что любое вещество состоит из атомов. Разнообразие веществ, распространенных в природе, они объясняли соединениями между собой отдельных атомов.

Они допускали, что эти частицы могут смешиваться, образуя новые вещества. Среди основателей молекулярно-кинетической теории, которая объяснила механизм протекания диффузии, особую роль сыграл Михаил Ломоносов.

Им было дано определение молекуле, атому, объяснен механизм растворения.

Будь здоров
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: