Диффузия: определение и примеры в окружающем мире. Наблюдение диффузии в воде и влияние температуры на скорость диффузии Описание процесса диффузии

Оглавление темы "Электронная микроскопия. Мембрана.":

Факторы, влияющие на скорость диффузии , объединены в законе Фика . Он гласит, что скорость диффузии пропорциональна следующему выражению:

Итак, какие молекулы могут проходить через мембраны за счет диффузии ? Быстро диффундируют через мембраны такие газы, как кислород и диоксид углерода. Молекулы воды, хотя и сильно поляризованные, достаточно малы для того, чтобы без помех проскользнуть между гидрофобными молекулами фосфолипидов.

Вместе с тем ионы и более крупные полярные молекулы гидрофобными участками мембраны отталкиваются, а потому через мембрану крайне медленно. Для их поступления в клетку требуются другие механизмы.

Некоторые ионы и полярные молекулы проникают в клетку при помощи особых транспортных белков . Это белки-каналы и белки-переносчики. Заполненные водой гидрофильные каналы, или поры, этих белков имеют строго определенную форму, соответствующую тому или иному иону или молекуле. Иногда канал проходит не внутри одной белковой молекулы, а между несколькими соседними молекулами.

Диффузия по каналам идет в обоих направлениях. Такую диффузию - при помощи транспортных белков - называют облегченной диффузией . Транспортные белки, по которым проходят ионы, называются ионными каналами. Обычно ионные каналы снабжены «воротами», т. е. могут открываться и закрываться. Ионные каналы, способные открываться и закрываться, играют важную роль при проведении нервных импульсов.

У белков-каналов форма фиксирована. Было показано, что болезнь, известная как цистозный фиброз, есть результат дефекта в белке, который служит каналом для хлорид-ионов. У белков-переносчиков форма, наоборот, претерпевает быстрые изменения, до 100 циклов в секунду. Они существуют в двух состояниях, и механизм их действия напоминает игру в «пинг-понг».

На рисунке показано, как функционирует этот механизм. Связывающие участки белка-переносчика в одном состоянии («пинг») обращены наружу, а в другом («понг») внутрь клетки. Чем выше концентрация растворенных молекул или ионов, тем больше шансов на то, что они окажутся связанными. Если концентрация растворенного вещества снаружи выше, чем в клетке, как в примере с глюкозой на рисунке, то реальный поток этого вещества будет направлен внутрь, и оно будет поступать в клетку.

Именно так глюкоза проникает в эритроциты. Перемещение такого рода имеет все характерные признаки диффузии , хотя оно и облегчается участием белка. Еще одним примером облегченной диффузии может служить перемещение хлорид- и гидрокарбонат-ионов между эритроцитами и плазмой крови при так называемом хлоридном сдвиге. Это один из механизмов, обеспечивающих частичную и избирательную проницаемость мембран.

Почему вы видите это сообщение?. Если вы его владелец, воспользуйтесь инструкциями Для сайта сайт закончился предоплаченный период оказания услуг хостинга. Если вы его владелец, необходимо пополнить баланс Владелец сайта сайт принял решение об его отключении Сайт сайт нарушил условия договора по размещению его на хостинге

NetAngels :: Профессиональный хостинг

Тел.: 8-800-2000-699 (Звонок по РФ бесплатный)

Хостинг - это услуга по размещению веб-сайта на сервере провайдера или сервера на площадке провайдера (в дата-центре), т.е. предоставление круглосуточного подключения к сети Интернет, бесперебойного питания и охлаждения. В основном спрос на размещение сайтов значительно больше, чем на размещение серверов, потому что обычно размещение собственных серверов нужно только для довольно крупных сайтов или порталов. Так же, хостингами называют сами площадки или сервера, предоставляющие данную услугу.

Физика — одна из самых интересных, загадочных и в то же время логичных наук. Она объясняет все, что можно объяснить даже то, как чай становится сладким, а суп соленым. Истинный физик сказал бы иначе: так протекает диффузия в жидкостях.

Диффузия

Диффузия — это волшебный процесс проникновения мельчайших частиц одного вещества в межмолекулярные пространства другого. Кстати, такое проникновение взаимно.

Знаете, как это слово переводится с латыни? Растекание, распространение.

Как протекает диффузия в жидкостях

Диффузия может наблюдаться при взаимодействии любых веществ: жидких, газообразных и твердых.

Чтобы узнать, как протекает диффузия в жидкостях, можно попробовать бросить несколько крупинок краски, молотого грифеля или, например, марганцовки в прозрачный сосуд с чистой водой. Лучше, если сосуд этот будет высоким. Что мы увидим? Сначала кристаллики под действием силы тяжести опустятся на дно, но через некоторое время вокруг них появится ореол окрашенной воды, который будет растекаться и растекаться. Если не подходить к данным сосудам хотя бы несколько недель, мы обнаружим, что вода окрасится практически полностью.

Еще один наглядный пример. Для того чтобы сахар или соль растворились быстрее, их нужно размешать в воде. Но если этого не сделать, сахар или соль самостоятельно растворятся через некоторое время: чай или компот станут сладкими, а суп или рассол - солеными.

Как протекает диффузия в жидкостях: опыт

Для того чтобы определить, как скорость диффузии зависит от температуры вещества, можно провести небольшой, но весьма показательный опыт.

Возьмем два стакана одинакового объема: один — с холодной водой, другой — с горячей. Насыпаем в оба стакана равное количество растворимого порошка (например, кофе или какао). В одном из сосудов порошок начнет растворяться интенсивнее. Знаете, в каком именно? Догадаетесь? Там, где температура воды выше! Ведь диффузия протекает в ходе беспорядочного хаотичного движения молекул, а при высоких температурах это движение происходит намного быстрее.

Диффузия может происходить в любых веществах, различается лишь время протекания этого явления. Самая высокая скорость — в газах. Именно поэтому нельзя хранить в холодильнике сливочное масло рядом с селедкой или салом, натертым мелко порубленным чесноком. Далее следуют жидкости (от меньшей плотности к наибольшей). И самая медленная — диффузия твердых тел. Хотя на первый взгляд диффузии в твердых телах не бывает.

Среди многочисленных явлений в физике процесс диффузии относится к одним из самых простых и понятных. Ведь каждое утро, готовя себе ароматный чай или кофе, человек имеет возможность наблюдать эту реакцию на практике. Давайте узнаем больше об этом процессе и условиях его протекания в разных агрегатных состояниях.

Что такое диффузия

Данным словом именуется проникновение молекул или атомов одного вещества между аналогичными структурными единицами другого. При этом концентрация проникающего соединений выравнивается.

Впервые этот процесс был подробно описан немецким ученым Адольфом Фиком в 1855 г.

Название данного термина было образовано от латинского diffusio (взаимодействие, рассеивание, распространение).

Диффузия в жидкости

Рассматриваемый процесс может происходить с веществами во всех трех агрегатных состояниях: газообразном, жидком и твердом. Чтобы отыскать практические примеры этого, стоит просто заглянуть на кухню.

Варящийся на плите борщ - это один из них. Под действием температуры молекулы глюкозинбетанина (вещества, благодаря которому свекла обладает таким насыщенным алым цветом) равномерно реагируют с молекулами воды, придавая ей неповторимый бордовый оттенок. Данный случай - это в жидкостях.

Помимо борща, данный процесс можно увидеть и в стакане чая или кофе. Оба эти напитка имеют столь равномерный насыщенный оттенок благодаря тому, что заварка или частички кофе, растворяясь в воде, равномерно распространяются между ее молекулами, окрашивая ее. На этом же принципе построено действие всех популярных растворимых напитков девяностых: Yupi, Invite, Zuko.

Взаимопроникновение газов

Атомы и молекулы, переносящие запах, находятся в активном движении и вследствие него перемешиваются с частицами, уже содержащимися в воздухе, и довольно равномерно рассеиваются в объеме помещения.

Это проявление диффузии в газах. Стоит отметить, что само вдыхание воздуха тоже относится к рассматриваемому процессу, как и аппетитный запах свежеприготовленного борща на кухне.

Диффузия в твердых телах

Кухонный стол, на котором стоят цветы, застелен скатертью яркого желтого цвета. Подобный оттенок она получила благодаря способности диффузии проходить в твердых телах.

Сам процесс придания полотну какого-то равномерного оттенка проходит в несколько этапов следующим образом.

Частички желтого пигмента диффундировали в красильной емкости по направлению к волокнистому материалу.
Далее они были впитаны внешней поверхностью окрашиваемой ткани.
Следующим шагом была снова диффузия красителя, но на этот раз уже внутрь волокон полотна.
В финале ткань зафиксировала частички пигмента, таким образом окрасившись.

Диффундирование газов в металлах

Обычно, говоря об этом процессе, рассматривают взаимодействия веществ в одинаковых агрегатных состояниях. Например, диффузия в твердых телах, твердых веществах. Для доказательства этого явления проводится опыт с двумя прижатыми друг к другу металлическими пластинами (золото и свинец). Взаимопроникновение их молекул происходит довольно долго (один миллиметр за пять лет). Этот процесс используется для изготовления необычных украшений.

Однако диффундировать способны и соединения в разных агрегатных состояниях. К примеру, существует диффузия газов в твердых телах.

В процессе экспериментов было доказано, что подобный процесс протекает в атомарном состоянии. Для его активации, как правило, нужно значительно повышение температуры и давления.

Примером такой газовой диффузии в твердых телах является водородная коррозия. Она проявляется в ситуациях, когда возникшие в процессе какой-нибудь химической реакции атомы водорода (Н 2) под действием высоких температур (от 200 до 650 градусов Цельсия) проникают между структурными частицами металла.

Помимо водорода, в твердых телах диффузия кислорода и других газов также способна происходить. Этот незаметный глазу процесс приносит немало вреда, ведь из-за него могут рушиться металлические сооружения.

Диффундирование жидкостей в металлах

Однако не только молекулы газов могут проникать в твердые тела, но и жидкостей. Как и в случае с водородом, чаще всего такой процесс приводит к коррозии (если речь идет о металлах).

Классическим примером диффузии жидкости в твердых телах является коррозия металлов под воздействием воды (Н 2 О) или растворов электролитов. Для большинства этот процесс более знаком под названием ржавления. В отличие от водородной коррозии, на практике с ним приходится сталкиваться значительно чаще.

Условия ускорения диффузии. Коэффициент диффузии

Разобравшись с тем, в каких веществах может происходить рассматриваемый процесс, стоит узнать об условиях его протекания.

В первую очередь быстрота диффузии зависит от того, в каком агрегатном состоянии пребывают взаимодействующие вещества. Чем больше в котором происходит реакция, тем медленнее ее скорость.

В связи с этим диффузия в жидкостях и газах всегда будет проходить более активно, нежели в твердых телах.

К примеру, если кристаллы перманганата калия KMnO 4 (марганцовка) бросить в воду, они в течение нескольких минут придадут ей красивый малиновый цвет. Однако если посыпать кристаллами KMnO 4 кусочек льда и положить все это в морозилку, по прошествии нескольких часов перманганат калия так и не сможет полноценно окрасить замороженную Н 2 О.

Из предыдущего примера можно сделать еще один вывод об условиях диффузии. Помимо агрегатного состояния, на скорость взаимопроникновения частиц влияет также и температура.

Чтобы рассмотреть зависимость от нее рассматриваемого процесса, стоит узнать о таком понятии, как коэффициент диффузии. Так называется количественная характеристика ее скорости.

В большинстве формул она обозначается при помощи большой латинской литеры D и в системе СИ измеряется в квадратных метрах на секунду (м²/с), иногда - в сантиметрах за секунду (см 2 /м).

Коэффициент диффузии равен количеству вещества, рассеивающегося через единицу поверхности на протяжении единицы времени, при условии, что разность плотностей на обеих поверхностях (расположенных на расстоянии равном единице длины) равна единице. Критерии, определяющие D, - это свойства вещества, в котором происходит сам процесс рассеивания частиц, и их тип.

Зависимость коэффициента от температуры можно описать при помощи уравнения Аррениуса: D = D 0exp (-E/TR).

В рассмотренной формуле Е - минимальная энергия, необходимая для активации процесса; Т - температура (измеряется по Кельвину, а не Цельсию); R - постоянная газовая, характерная для идеального газа.

Помимо всего вышеперечисленного, на скорость диффузии в твердых телах, жидкости в газах влияет давление и излучение (индукционное или высокочастотное). Кроме того, многое зависит от наличия катализирующего вещества, часто именно оно выступает в роли пускового механизма для начала активного рассеивания частиц.

Уравнение диффузии

Данное явление - частный вид уравнения дифференциального при частных производных.

Его цель - отыскать зависимость концентрации вещества от размеров и координат пространства (в котором оно диффундирует), а также времени. При этом заданный коэффициент характеризует проницаемость среды для реакции.

Чаще всего уравнение диффузии записывают следующим образом: ∂φ (r,t)/∂t = ∇ x .

В нем φ (t и r) — плотность рассеивающегося вещества в точке r во время t. D (φ, r) — диффузии обобщенный коэффициент при плотности φ в точке r.

∇ — векторный дифференциальный оператор, компоненты которого по координатам относятся к частным производным.

Когда коэффициент диффузии зависим от плотности, уравнение является нелинейным. Когда нет — линейным.

Рассмотрев определение диффузии и особенности данного процесса в разных средах, можно отметить, что он имеет как положительные, так и отрицательные стороны.

ДИФФУЗИЯ (от лат. diffusio - распространение, растекание, рассеивание) - неравновесный процесс, вызываемый молекулярным тепловым движением и приводящий к установлению равновесного распределения концентраций внутри фаз. В результате Д. происходит выравнивание хим. потенциалов компонентов смеси. В однофазной системе при пост. темп-ре и отсутствии внеш. сил Д. выравнивает концентрацию каждого компонента фазы по объёму всей системы. Если темп-pa не постоянна или на систему действуют внеш. силы, то в результате Д. устанавливается пространственно неоднородное равновесное распределение концентраций каждого из компонентов (см. Термодиффузия, Электродиффузия ).

(2-й закон Фика). Матем. теория ур-ния Д. совпадает с теорией теплопроводности уравнения .

Для смеси мн. компонентов диффузионный поток каждого компонента j i , согласно термодинамике необратимых процессов , определяется градиентами хим. потенциалов всех п компонентов смеси:

где L ik - кинетич. коэф. Онсагера, имеющие тензорный характер и пропорциональные коэф. Д. компонентов смеси (индекс означает, что рассматривается Д. i -гo компонента относительно k -го). Градиенты хим. потенциалов берутся при фиксиров. темп-ре T . Выражение (4) есть частный случай линейных соотношений Онсагера между термодинамич. силами Д. и диффузионными потоками. Согласно принципу Онсагера (см. Онсагера теорема) , в отсутствие магн. поля .

Среди градиентов хим. потенциалов лишь n - 1 независимых, их можно выразить через градиенты концентраций с помощью Гиббса - Дюгема уравнения и представить диффузионный поток в виде

где D ik - тензор коэф. Д. Его диагональные элементы определяют прямые процессы Д., а недиагональные - перекрёстные диффузионные процессы. Соотношения Онсагера для D ik имеют более сложный характер, чем для L ik . Для бинарной смеси коэф. D 11 связан с коэф. Онсагера L 11 соотношением

В процессе Д. происходит возрастание энтропии, причём производство энтропии в единицу времени равно:

Если на смесь компонентов действуют внеш. силы F k (напр., гравитационные и инерциальные), то явление Д. существенно меняется. Поскольку градиент давления зависит от внеш. сил F k , то термодинамич. силами являются не только градиенты хим. потенциалов, но также и центробежная сила и сила тяготения и возникает бародиффузия. При этом термодинамич. равновесию соответствует стационарное неоднородное распределение концентраций. Процесс Д. стремится к установлению этого распределения. Этот процесс позволяет определять молекулярные массы по седиментации в центробежном поле в ультрацентрифуге.

Диффузия в твёрдых телах. Процесс Д. в твёрдых телах может осуществляться с помощью неск. механизмов: обмен местами атомов кристаллич. структуры с её вакансиями ,перемещение атомов по междоузлиям (см. Межузельный атом ), одновременное циклическое перемещение неск. атомов, обмен местами двух соседних атомов. При образовании твёрдых растворов замещения преобладает обмен местами атомов и вакансий.

Коэф. Д. в твёрдых телах очень зависит от дефектов структуры, увеличиваясь с ростом их числа. Для Д. в твёрдых телах характерна экспоненц. зависимость от темп-ры с энергией активации большей, чем у жидкостей. Коэф. Д. для цинка в медь возрастает в 10 14 раз при повышении темп-ры от 30 о C до 300 о C.

Микроскопич. теория Д. атомов, основанная на механизме перескоков по вакансиям, была развита Я. И. Френкелем . Замещение атомом кристалич. структуры вакансии связано с возможностью перехода его через потенц. барьер. Предполагается, что после перехода атома в вакансию он благодаря сильному взаимодействию его с соседними атомами успевает отдать часть энергии прежде, чем вернётся на своё прежнее место. Время пребывания данного атома в соседнем с вакансией узле равно

где - время порядка периода атомов кристаллич. структуры, соответствующих частоте акустич. спектра (~10 -13 с). Тогда коэф. самодиффузии будет иметь вид

где - энергия активации, а - постоянная решётки, U - энергия образования вакансии. Для разл. решёток W отличаются не очень сильно (напр., для свинца W 26 ккал/г*атом, для меди W 60 ккал/г*атом),а а и в ф-ле (12) могут сильно отличаться. Коэф. Д. в твёрдых телах можно оценить также с помощью теории Эйринга скоростей реакций, что приводит также к экспоненц. зависимости от темп-ры с энергией активации. Аналогичная теория была развита для Д. в неупорядоченных сплавах замещения, она позволила учесть влияние внедрённых атомов на самодиффузию металла, когда Д. уже не описывается одной экспонентой, т. к. на узлах с разл. конфигурацией атомов нужно преодолевать разл. потенц. барьеры. В том случае, когда Д. идёт путём обмена с вакансиями или одноврем. перемещения по замкнутому контуру, причём коэф. Д. компонент D 1 и D 2 различны, появляется результирующий поток вещества в направлении вещества с большим парциальным коэф. Д., пропорциональный (Киркендалла эффект).

Явление переноса нейтронов в конденсиров. среде, сопровождаемое многократным рассеянием, описывается кинетич. ур-нием, к-рое, вообще говоря, не сводится к ур-нию Д., однако диффузионное приближение оказывается часто полезным и при рассмотрении диффузии нейтронов .

При очень низких темп-pax в конденсиров. средах возможна квантовая диффузия атомов, к-рая определяется квантовым подбарьерным туннельным движением атомов, в отличие от классич. Д., к-рая определяется надбарьерными переходами атомов . Существ. отличие квантовой Д. состоит в том, что коэф. квантовой Д. отличен от нуля при стремлении темп-ры к нулю, его значение на мн. порядков больше, чем коэф. классич. Д. при тех же темп-рах.

Другие виды диффузий . К диффузионным процессам относят также нек-рые явления, не связанные с переносом частиц. Так, в оптике имеет место излучения в неоднородной среде при многократных процессах испускания и поглощения фотонов, к-рое наз. диффузией излучения , однако это явление существенно отлично от Д. частиц, т. к. ур-ние баланса для плотности потока фотонов описывается интегр. ур-нием, к-рое не сводится к дифференц. ур-нию Д. В спиновых системах в магн. поле возможен процесс выравнивания ср. магн. момента в пространстве под влиянием спин-спинового взаимодействия - спиновая диффузия .

Лит.: 1)Гроот С. де, Мазур П., Неравновесная , пер. с англ., M., 1964, гл. 11; 2) Xаазе Р., Термодинамика необратимых процессов, пер. с нем., M., 1967, гл. 4; 3) Чепмен С., Каулинг т., Математическая теория неоднородных газов, пер. с англ., M., 1960, гл. 10, 14; 4)Ферцигер Дж., Капер Г., Математическая теория процессов переноса в газах, пер. с англ., M., 1976; 5) Френкель Я. И., Кинетическая теория жидкостей. Л., 1975; 6) Гиршфельдер Дж., Кертисс Ч., Берд Р., Молекулярная теория газов и жидкостей, пер. с англ., M., 1961, гл. 9; 7) Грэй П., Кинетическая теория явлений переноса в простых жидкостях, в кн.: Физика простых жидкостей. Статистическая теория, пер. с англ., M., 1971; 8) Смирнов А. А., Молекулярно-кинетическая теория металлов, M., 1966, гл. 8; S )Андреев А. Ф., Лифшиц И. M., Квантовая теория дефектов в кристаллах, "ЖЭТФ", 1969, т. 56, с. 2057; 10) Каgan Yu., Кlingеr M. I., Theory of quantum diffusion of atoms in crystals, "J. Phys. C", 1974, v. 7, p. 2791; 11) Лифшиц E. M., Питаевский Л. П., Физическая кинетика, M., 1979, p11, 12; 12) Ландау Л. Д., Лифшиц E. M., Гидродинамика, 3 изд., M., 1986, p 59.

Д. П. Зубарев .