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.
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–.
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.
Також на перенесення речовин вплине концентрація. Приблизно так виглядає формула рівняння Фіка для кількісної характеристики в газах і слабких розчинах:
де
- J – щільність потоку матеріалу;
- D – залежний від температури коефіцієнт дифузії;
- ac/dx – градієнт концентрації.
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.
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.
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.