Дифузія - малюнок

Дифузія — опис, причини та приклади



Поняття “дифузія” (латинське «diffusio» означає «поширення», «розсіювання») має на увазі процес взаємопроникнення мікрочастинок різних матеріалів при контакті.

Різною мірою дифузія спостерігається при будь-якому агрегатному стані речовин.

Але визначення ніяк не пояснює суть феномена, тому зараз ми розглянемо дане явище докладніше.

Схематичне зображення дифузії молекул крізь клітинну мембрану
Схематичне зображення дифузії молекул крізь клітинну мембрану

Що таке дифузія, причини виникнення

Дифузія не передбачає додаткових зусиль з боку спостерігача. Вона виникає через тепловий рух частинок. Не треба плутати цей рух з броунівським: це окремий випадок, наочний експеримент.

Розглянемо спрощено фізику і хімію розчинення перманганату калію (KMnO4) у воді (H2O). Молекула води поляризована, існує у вигляді “зчеплених” іонів H+– OH. Марганцівка в результаті дисоціації розпадається на K+ і MnO4.

Схема дифузії

В результаті хаотичного переміщення пов’язані іони, що поміняли колір, звільнять місце для іонів, які ще не реагували. Всі ознаки реакції в наявності: вода змінює забарвлення і набуває специфічних властивостей.

І ще одна особливість: випадково рухомі елементи без витрат ззовні розподіляться за наданим об’ємом рівномірно. Це випливає із законів математичної статистики і прагнення речовин до вирівнювання хімічного потенціалу. Процес не буде швидким.

А ось з маслом і субстанціями аналогічного класу подібний фокус не пройде. Його молекули електрично нейтральні, тому утворенню якогось з’єднання з водою завадять сильні зв’язки в ній.

Останнє, до речі, обумовлює значний поверхневий натяг. Інакше водомірки не могли б ходити по поверхні, а качки б потонули.

З теорії очевидно, що процес протікає швидше при збільшенні температури (рух активніше).

Також на перенесення речовин вплине концентрація. Приблизно так виглядає формула рівняння Фіка для кількісної характеристики в газах і слабких розчинах:

Рівняння Фіка

де

  • J – щільність потоку матеріалу;
  • D – залежний від температури коефіцієнт дифузії;
  • ac/dx – градієнт концентрації.

Дифузія - визначення

Дифузія у твердих тілах

Для таких субстанцій характерна наявність кристалічної решітки, частинки розташовуються впорядковано. Обмінний матеріал залежить від типу зв’язку. Такі субстанції надто активні.

Види зв’язків розглянемо окремо:

  • Іонні (солі активних (лужних) металів, гідроксиди). Малолітучі, охоче дифундують з розплавів, розчинів. Яскравий представник – кухонна сіль (NaCl). Якщо розмістити у воді, не підігрівати, не перемішувати, то однорідна маса утворюється через декілька тижнів.
  • Металеві. Складаються з іонів, атомів і не пов’язаних електронів. Електропровідні, куються (це стосується не всіх сплавів – чавун, наприклад, тріскається). Для проникнення позолоти на долі міліметрів в мідь знадобляться століття.

  • Атомні. З сильними ковалентними зв’язками. Високоміцні, крихкі, хімічно стійкі. У процесах перенесення беруть участь слабо. Приклад: алмаз, кремній і його оксиди (пісок), кришталь і подібні.
  • Молекулярні. Механічно не міцні. Летючі. Це, наприклад, кристали йоду, твердий CO2 (“сухий лід”).

Потрібна енергія на розрив з’єднання з сусідніми частинками. Дифундуючі елементи займають “вакансії” в решітці.

Значення дифузії в житті

Дифузія в рідинах

Відбувається з куди більшою швидкістю, оскільки енергії зв’язку частинок вистачає хіба що на утворення крапель в невагомості або при вільному падінні.

Переконатися, що поширення відбувається не через конвекцію, можна за допомогою простого досліду.

Розділіть ємність напівпроникною мембраною, що виключає пряме перетікання. Залийте забарвлений і безбарвний розчини. Частинки будуть проходити через перешкоду. Забарвлення з плином часу вирівняється.

Дифузія в газах

Відбувається динамічніше за інші. Ніяк не зчеплені елементи займають весь доступний об’єм. Легкі корективи вносить хіба що гравітація. З огляду на малу густину речовин, її можна не брати до уваги.

Швидкість більше залежить від довжини вільного пробігу. Тобто від величини відрізка, на якому ймовірність зіткнення з сусідньою речовиною невелика. Зрештою дифузія в газах обумовлюється тиском, якщо не брати до уваги температури.

Про інтенсивність можна судити по поширенню виразного запаху в приміщенні зі стійким середовищем.

Де відбувається дифузія

Приклади дифузії в навколишньому світі

Відомий за курсом біології природний процес фотосинтезу неможливий без розглянутого феномена. Коштом енергії сонячного світла вода розкладається хлорофілами на складові.

Кисень відправляється в атмосферу. За допомогою водню засвоєна вуглекислота перетворюється в цукор і в такому вигляді живить рослину або мікроорганізм.

Поглинання живими організмами кисню і обмін речовин взагалі підтримуються дифузією. Без цього ефекту саме життя на землі була б неможливе.

Leave a Reply

Ваша e-mail адреса не оприлюднюватиметься. Обов’язкові поля позначені *