Вы когда-нибудь задавались вопросом: благодаря чему мы ощущаем приятные запахи, почему растворяется сахар в чае, каким образом происходит загрязнение воздуха и атмосферы? На все эти вопросы нам поможет ответить понятие «Диффузия».
Диффузия — это процесс проникновения молекул одного вещества между молекулами другого вещества. Основная причина диффузии: постоянное движение молекул. Возникает диффузия из-за стремления к равновесию.Диффузия происходит в трех средах: в газах, в жидкостях, в твердых телах.Диффузия в газах происходит быстрее всего, она занимает всего несколько секунд или минут. Диффузия в жидкостях может занимать от нескольких минут до нескольких часов. Диффузия в твердых телах протекает с течением нескольких лет. Но эти процессы можно ускорять с помощью повышения температуры или при внешнем воздействии.Явление диффузии есть в каждой аспекте нашей жизни: питание, дыхание животных и растений. Также явление диффузии несет в себе и разрушающий для аспект: загрязнение природы.
Курирую урок, все предложения пишите в х под уроком или личным сообщением
Хотите делать уроки с нами?
Диффузия в окружающем мире
Вводное тестирование
Проверь готовность к уроку
0%
0%
0%
0%
0%
Ты еще не готов к этому уроку
Начинай изучать урок
Полный вперёд!
Так что же такое диффузия? Диффузия — это процесс проникновения молекул одного вещества между молекулами другого вещества. Если говорить простым языком — это смешивание. Во время этого смешивания происходит взаимное проникновение молекул вещества между друг другом. Основная причина диффузии заключается в постоянном движении молекул.
При приготовлении какао, молекулы растворимого какао проникают в молекулы воды и наоборот.
Возникает из-за стремления к равновесию
Основная причина диффузии — постоянное движении молекул. В веществе есть области с высокой и низкой концентрацией частиц, поэтому они постоянно движутся из области с большой концентрацией к области, где концентрация частиц меньше. Это явление обусловлено стремлением к равновесию. Так как, частицы постоянно сталкиваются во время движения — происходит взаимное проникновение друг в друга.
Происходит в разных средах
В каждом агрегатном состоянии молекулы движутся с определённой скоростью. Диффузия может протекать в следующих агрегатных состояниях: газ, жидкость, твёрдое тело.
Ускоряется при повышении температуры
Чем выше температура вещества, тем быстрее движутся молекулы. Следовательно, процесс смешивания происходит быстрее при высоких температурах.
Ускоряется при внешнем воздействии
Протекание диффузии можно ускорить. Этим активно пользуется человек в бытовых и промышленных целях. Для того, чтобы два твердых металла превратить в сплав, человек воздействует на металлы внешне — применяя высокие температуры. Также для того, чтобы сахар быстрее растворился в воде, мы его размешиваем, тем самым совершая внешнее воздействие.
Процесс проникновения молекул одного вещества между молекулами другого вещества
0%
Беспорядочное движение микроскопических видимых взвешенных в жидкости или газе частиц твердого вещества, вызываемое тепловым движением частиц жидкости или газа
0%
При воздействии высоких температур
0%
При внешнем воздействии
0%
0%
0%
0%
От Древней Греции до Адольфа Фика
Уже в глубокой древности, за 2500 тыс. лет до нашего времени, зародилось представление, что все окружающие нас тела состоят из мельчайших частиц, недоступных непосредственному наблюдению. О наличии в природе явления диффузии предполагали еще в Древней Греции и Древнем Риме.
Свои предположения выдвигали такие философы и ученые, как Фалес Милетский, Анаксимен, Демокрит и др. Конечно, их высказывания были еще далеки от истины. Но спустя время, благодаря открытию броуновского движения, в дальнейшем удалось описать явление диффузии. Описал диффузию немецкий физик и физиолог Адольф Ойген Фик.
В 1855 году он описал явление диффузии и представил закон диффузии Фика.
Вы, наверняка, замечали, что различные запахи распространяются по воздуху очень быстро. А все потому, что процесс смешивания частиц в газах самый быстрый.
Частицы газа далеко удалены друг от друга. Между ними существуют большие промежутки. Сквозь эти промежутки легко перемещаются частицы другого вещества. Поэтому диффузия в газах протекает быстро.
Цель:убедиться в том, что диффузия в газах протекает быстро и зависит от температуры
- Оборудование:
- Процесс:
- Выводы:
секундомер, освежитель воздуха или парфюм, термометрЗамерьте температуру воздуха в помещении. Распылите освежитель воздуха в одном углу, встаньте в другой и включите секундомер. Как только почувствуете аромат освежителя — выключите секундомер. Запишите результат в тетрадь.Теперь проветрите помещение примерно до 17-18 градусов по Цельсию. Проделайте все то же самое.Время, через которое до вас дошел запах, будет отличен. Во втором случае аромат будет распространяться медленнее.Во-первых, вы поймете насколько быстро происходит диффузия в газах.Во-вторых, поймете, что диффузия происходит быстрее, когда выше температура газов.
0%
0%
0%
0%
0%
Если диффузия в газах происходит быстро, чаще всего за считанные секунды, то диффузия в жидкостях занимает целые минуты, а иногда даже часы. Зачастую это зависит от температуры и плотности вещества.
Частицы в жидкости расположены так, что расстояние между соседними частицами меньше их размеров.
Примерами диффузии в жидкостях могут служить: смешивание воды и марганцовки, смешивание двух цветов красок.
Цель:понять как протекает диффузия в жидкостях и как зависит от температуры
- Оборудование:
- Процесс:
- Выводы:
стакан с холодной водой, раствор «зеленки», тарелка с горячей водой, пипетка, секундомерВ начале в стакан с холодной водой капаем каплю зеленки и засекаем время за которое она растворится в воде до однородного цвета. Записываем результат.Затем проделываем все то же самое, но уже ставим стакан в тарелку с горячей водой. Сравниваем результаты. Видим, что в тарелке с горячей водой диффузия частиц воды и зеленки протекал гораздо быстрее.Температура влияет на протекание диффузии в жидкости. Чем выше температура, тем быстрее протекает диффузия.
0%
0%
0%
0%
0%
0%
0%
Диффузия в твердых телах протекает очень медленно (несколько лет) из-за большой плотности твердых тел.
Промежутки между частицами очень маленькие, поэтому другим веществам трудно проникнуть между ними.
В твердых телах диффузия протекает очень медленно, при обычной комнатной или уличной температуре она незаметна.
Обычно в качестве примера диффузии в твердых телах приводится опыт со свинцовой и золотой пластинками. Данный эксперимент показал, что только по прошествии пяти лет в свинец проникло малое количество золота, а свинец проник в золото на глубину не более одного миллиметра. Такое различие обусловлено тем, что плотность свинца намного выше плотности золота.
Можно ускорить процесс диффузии твердых тел, например, воздействием на них высоких температур.
Если на тонкий свинцовый цилиндр нанести очень тонкий слой золота, после чего эту конструкцию поместить в печь на 10 дней при температуре воздуха в печи 200 градусов Цельсия, то после разрезания цилиндра на тонкие диски, очень хорошо видно, что свинец проник в золото и наоборот.Для того, чтобы выковать, к примеру, меч, потребуются сталь и различные металлы. Чтобы соединить сталь и металл, используют воздействие высоких температур. Плавление стали происходит при температуре 1000° и более.Также применение сплавов широко используется в строительстве, машиностроении и промышленности. Цель:понять как протекает диффузия в твердых телах и как зависит от внешнего воздействия
Оборудование:
пластилин
Процесс:
Простой и доступный каждому пример диффузии твердых тел: если взять два куска пластилина разных цветов и разминать их в руках, то можно наблюдать, как смешиваются цвета. Это происходит из-за внешнего воздействия на пластилин. Если внешнего воздействия не совершать и просто прижать два куска пластилина друг к другу, то для того, чтобы цвета перемешались — потребуются годы.
0%
0%
0%
0%
0%
0%
0%
0%
Диффузия в окружающем мире
Дыхание и питание человека
Кислород из воздуха проникает в капилляры крови, расположенные в легких, после этого растворяется в них и разносится по всему организму. В свою очередь углекислый газ диффундирует из капилляров в альвеолы легких.Питательные вещества, выделяемые из пищи путем диффузии проникают в клетки.
Удобрение почв тоже происходят с помощью диффузии. Благодаря использованию определённых химических средств или компоста почва становится более плодородной. Почему так происходит? Суть в том, что молекулы удобрения диффундируют с молекулами почвы. После чего процесс диффузии происходит между молекулами почвы и корня растения. Благодаря этому сезон будет более урожайным.
Муравьи помечают свой путь капельками пахучей жидкости, они прижимаются брюшком к земле и передают ей свой запах. Некоторые муравьи не всегда бегут точно по намеченному пути, а сбоку от трассы, потому что запах достаточно силен. Потеряв след, они кругами вновь находят «дорогу» и спешат по ней. Муравьиные трассы бывают длиной несколько метров.Благодаря диффузии, насекомые находят себе пищу. Бабочки, порхая меж растений, всегда находят дорогу к красивому цветку. Пчелы, обнаружив сладкий объект, штурмуют его своим роем.Плотоядные животные находят своих жертв тоже благодаря диффузии. Акулы чувствуют запах крови на расстоянии нескольких километров, также как и рыбы пираньи. Диффузия помимо пользы дает человеку и огромный вред. Дымовые трубы предприятий выбрасывают в атмосферу углекислый газ, оксиды азота и серы. Избыток углекислого газа в атмосфере опасен для живого мира Земли, нарушает круговорот углерода в природе, приводит к образованию кислотных дождей. Процесс диффузии играет большую роль в загрязнении рек, морей и океанов. Годовой сброс производственных и бытовых стоков в мире равен примерно 10 триллионов тонн. Загрязнение водоемов приводит к тому, что в них исчезает жизнь, а воду, используемую для питья, приходится очищать, что очень дорого. Кроме того, в загрязненной воде происходят химические реакции с выделением тепла. Температура воды повышается, при этом снижается содержание кислорода в воде, что плохо для водных организмов. Из-за повышения температуры воды многие реки теперь зимой не замерзают.
Норильск признан самым загрязненным городом Красноярского края. Фото Александр Страх
Пылающая нефтяная платформа в Мексиканском заливе.Фото US Coast Guard | Reuters
Диффузия — фундаментальное явление природы, поэтому так важно изучать и понимать это явление. Без диффузии не существовало бы Вселенной, планет, Земли, всего живого.
Диффузия — это процесс проникновения молекул одного вещества между молекулами другого вещества.
Явление диффузии обусловлено стремлением к равновесию.
Скорость диффузии зависит от следующих факторов: температура, агрегатное состояние вещества, внешнее воздействие.
Процесс смешивания частиц в газах протекает очень быстро (несколько секунд), т.к. между частицами газа существуют большие промежутки.
Процесс смешивания частиц в жидкостях протекает медленнее, чем в газах(от нескольких минут до нескольких часов). Это обусловлено тем, что частицы в жидкости расположены так, что расстояние между соседними частицами меньше их размеров.
Диффузия в твердых телах протекает очень медленно(несколько лет) из-за большой плотности твердых тел.
Выходное тестирование
Проверь как изучил урок
0%
0%
0%
0%
0%
0%
0%
0%
0%
0%
0%
0%
0%
0%
0%
0%
0%
0%
0%
0%
0%
Ты еще не готов к этому уроку
Начинай изучать урок
Предыдущий урок
Силы, законы Ньютона
Урок разработали
Можно копировать, распространять, улучшать, при условии указания авторства, ссылки на урок и сохранения данной лицензии у производного материала
Под свободной лицензиейCC-BY-SA-4.0
Помогите улучшить
Мы рады любой помощи по улучшению урока. Пишите комментарии с предложениями, отмечайте понятные или непонятные элементы урока.
Физико-химические основы технологии электронных средств. Конспект лекций, страница 23
- Математическое описание диффузионных процессов было дано в 1855 году Фиком. Он сформулировал два закона основанных на законах теплопроводности:
- Первый закон Фика: характеризует скорость диффузии атома из одного вещества в другое при постоянном потоке во времени этих атомов и неизменном градиенте их концентрации:
- (1)
Знак « — » указывает на то, что диффузия идет в сторону уменьшения концентрации N. J – вектор плотности потока атомов вещества, D – коэффициент диффузии, — вектор градиента концентрации диффундирующих атомов.
Коэффициент диффузии D – определяет плотность потока атомов вещества при заданном градиенте концентрации [D] =, так как диффузионный поток атомов перемещается в направлении выравнивания концентрации, коэффициент D является мерой скорости, с которой система способна при условиях выровнять разность концентраций.
Эта скорость зависит от подвижности диффундирующих атомов кристаллической решетки полупроводника. Скорость диффузии зависит в общем случае от выбранного кристаллографического направления.
Градиент концентрации при объемной диффузии имеет три составляющие по координатным осям, если глубина диффузии значительно меньше поперечных размеров площади, на которой она происходит, то можно принять, что диффузия идет в одном направлении, в этом случае уравнение Фика становится одномерным:
- J(x) – плотность потока или число атомов вещества переносимых в единицу времени через единицу площади;
- — градиент концентрации диффундирующей примеси в направлении диффузии.
- Второй закон Фика: определяет скорость накопления растворимой примеси в любой плоскости перпендикулярной к распространению диффузии.
- Для одномерного случая второй закон Фика:
где — изменение концентрации диффундирующего вещества во времени.
Выражение (3) учитывает возможность зависимости D от концентрации примеси, так как частота обмена местами атомов зависит от структуры полупроводника, если считать что D=const, то выражение (3) примет вид:
- при этом предполагается, что температура диффузионного процесса должна быть постоянной, но если концентрации диффундирующей примеси велики, то D зависит от концентрации и это необходимо учитывать в уравнении (3).
- Закон Аррениуса.
- Коэффициент диффузии D значительным образом зависит от температуры, чем выше температура, тем больше энергия атомов примеси и выше скорость движения их через кристаллическую решетку.
- Зависимость коэффициент диффузии от температуры выражается:
- DE — энергия активации [эВ] – та энергия, которую должны иметь атомы, чтобы они диффундировали через кристаллическую решетку.
- к – постоянная Больцмана;
- Т – абсолютная температура.
Использование диффузии для введения примеси в полупроводниковые кристаллы. Диффузия из ограниченного и неограниченного источника
- Диффузия при высокой температуре это один из основных способов легирования полупроводника материалов, с целью создания диодных и транзисторных структур ИМС.
- Диффузия может быть общей и локальной.
- Общая диффузия – процесс идет через всю поверхность пластины.
- Локальная диффузия – процесс идет на определенных участках через окна в маске.
Диффузия: причины, особенности процесса, примеры в природе
- Определение
- Причины
- Формула
- В твердых телах
- В жидкостях
- В газах
- Примеры в окружающем мире
- Видео
- поддерживается однородный состав атмосферного воздуха вблизи поверхности нашей планеты,
- происходит питание растений,
- осуществляется дыхание человека и животных.
- В саду, где цветы источают свой аромат благодаря диффузии (их частицы перемешиваются с частицами окружающего воздуха).
- Растворяя сахар в чае или кофе, чай или кофе становится сладким благодаря диффузии.
- При резке лука у вас начнут слезиться глаза, происходит это тоже по причине диффузии, молекулы лука смешиваются с молекулами воздуха и ваши глаза на это реагируют.
- температуры тела;
- агрегатного состояния исследуемого вещества.
- $D$ — это коэффициент пропорциональности,
- $S$ — площадь поверхности, а знак «-» обозначает, что диффузия идет из области большей концентрации в меньшую.
- $R$- это универсальная газовая постоянная,
- $T$- абсолютная температура,
- $r$- радиус диффундирующих частиц,
- $D$- коэффициент диффузии,
- $ŋ$- вязкость среды.
- при повышении температуры;
- при повышении градиента концентрации.
- при увеличении вязкости растворителя;
- при увеличении размера диффундирующих частиц.
- $Т$ – абсолютная температура, которая измеряется в Кельвинах,
- $E$ – минимально необходимая для диффузии энергия.
- упругости пара;
- повышения температуры кипения;
- понижения температуры замерзания растворов.
- Значение диффузии в биологических процессах:
- -скорость обмена веществ зависит как от скорости реакций обмена веществ, так от скорости движения реагирующих веществ движение реагирующих веществ в клетках и межклеточном веществе обусловлено диффузией скорость движения реагирующих веществ в клетках и межклеточном веществе определяется скоростью диффузии
- -питательные вещества и продукты обмена в межклеточном веществе и в клетках перемещаются путем диффузии
- -диффузия лежит в основе пассивного транспорта веществ через клеточные мембраны
- различают простую диффузию, ограниченную диффузию, облегченную диффузию облегченная диффузия служит для транспорта крупных ионов и молекул или молекул жиронерастворимых веществ для них из-за большого размера транспорт через клеточные поры невозможен путь транспорта – через мембрану белками-переносчиками(транслоказами)
- Сущность пассивного транспорта веществ, облегченной диффузии, активного транспорта.
- Отличия облегченной диффузии от простой:
- 1) перенос ионов с участием переносчика происходит значительно быстрее по сравнению со свободной диффузией;
- 2) облегченная диффузия обладает свойством насыщения – при увеличении концентрации с одной стороны мембраны плотность потока вещества возрастает лишь до некоторого предела, когда все молекулы переносчика уже заняты;
- 3) при облегченной диффузии наблюдается конкуренция переносимых веществ в тех случаях, когда одним переносчиком переносятся разные вещества и при этом одни вещества переносятся лучше, чем другие, и добавление одних веществ затрудняет транспорт других;
- 4) есть вещества, блокирующие облегченную диффузию, они образуют прочный комплекс с молекулами переносчика, препятствуя дальнейшему переносу.
- Броуновское движение — беспорядочное движение микроскопических видимых взвешенных частиц твердого вещества в жидкости или газе, вызываемое тепловым движением частиц жидкости или газа.
- Как мы видим, броуновское движение отвечает за хаотичное перемещение микрочастичек в жидкостях или газах, в то время как благодаря явлению диффузии вещества проникают друг в друга.
- «Это все, конечно, увлекательно, — можете возразить вы, — но когда возникает диффузия?»
- Она происходит прямо сейчас! ????
- кровообращение: благодаря диффузии молекулы кислорода проникают в кровь, которая доставляет их ко всем органам;
- питание: витамины и минералы, которые содержатся в пище, проникают в клетки организма;
- растворение веществ в жидкости;
- неоднородность воздуха (воздух — сложное вещество, которое состоит из кислорода, углекислого газа, азота и других газов);
- распространение запахов.
Определение
Само слово «диффузия» латинского происхождения – «diffusio» в переводе с латыни означает «распространение, рассеивание». В физике под диффузией подразумевается процесс взаимопроникновения микрочастиц при соприкосновении разных материалов.
Академическое определение того, что такое диффузия, звучит следующим образом: «Диффузия – это взаимное проникновение молекул одного вещества в межмолекулярные промежутки другого вещества вследствие их хаотичного движения и столкновения друг с другом».
Какие свойства диффузии, причины ее возникновения, как проявляется этот процесс в разных веществах, об этом читайте далее.
Причины
Причиной возникновения диффузии является тепловое движение частиц (атомов, молекул, ионов и т. д.).
Чтобы более детально понять, как работают механизмы диффузии, рассмотрим это явление на конкретном примере. Если взять перманганат калия (в народе более известен как марганцовка) (KMnO4) и растворить в воде (H2O), то марганцовка в результате диссоциации распадется на K+ и MnO4-. Также важно заметить что молекула воды поляризирована и существует в виде сцепленных ионов H+ – OH-.
Из-за растворения марганцовки в воде произойдет хаотическое перемещение ионов обоих веществ, вследствие чего сцепленные ионы воды поменяют свой цвет и освободят место для других, еще не реагировавших ионов. Вода поменяет свой окрас и получит специфические свойства. Между водой и марганцовкой совершится диффузия.
Вот так этот процесс выглядит схематически.
Причем движимые частицы во время диффузии, всегда распространяются равномерно по всему предоставленному объему. Сам процесс диффузии занимает определенное время.
Также важно знать, что явление диффузии происходит далеко не со всеми веществами. Например, если воду перемешать не с марганцовкой, а с маслом, то диффузии между ними не будет, так как молекулы масла электрически нейтральны. Образованию какого-то соединения с молекулами воды помешают сильные связи внутри молекулы масла.
Еще стоит заметить, что скорость диффузии значительно увеличится при увеличении температуры, что вполне логично, ведь с увеличением температуры возрастет скорость движения частиц внутри вещества и как следствие, повышается шанс их проникновения в молекулы другого вещества.
Формула
Процесс диффузии в двухкомпонентной системе записывается при помощи закона Фика, и соответствующего уравнения:
В этом уравнении J – плотность материала, D – коэффициент диффузии, а ac/dx – градиент концентрации двух веществ.
Коэффициентом диффузии называют физическую величину, которая численно равна количеству диффундирующего вещества, которое проникает за единицу времени через единицу поверхности, если разность плотностей на двух поверхностях, находящихся на расстоянии равном единице длины, равна единице. Важно заметить, что коэффициент диффузии зависит от температуры.
В твердых телах
В твердых телах диффузия происходит очень медленно, если вообще происходит. Ведь для твердых тел характерно наличие кристаллической решетки, а все частицы расположены упорядочено.
Примером диффузии твердых тел может быть золото и свинец. Расположенные на расстояние 1 метра друг от друга, при комнатной температуре в 20 С, эти вещества будут понемногу проникать друг в друга, но будет это все идти очень медленно, подобная диффузия станет заметной не ранее чем через 4-5 лет.
В жидкостях
Скорость протекания диффузии в жидкостях в разы выше, нежели в твердых телах. Связи между частицами в жидкости гораздо слабее (обычно их энергии хватает максимум на образование капель), и взаимному проникновению частиц в молекулы двух веществ ничто не мешает.
Правда то, как быстро будет проходить диффузия, зависит от характера и консистенции жидкостей, в более густых растворах она происходит медленнее, ведь чем гуще жидкость, тем более сильные в ней связи между молекулами и тем труднее молекулам и частицам проникать друг в друга. Например, смешивание двух жидких металлов может занять несколько часов, в то время как смешивание воды и марганцовки (из примера выше) осуществляется за минуту.
В газах
В газах диффузия происходит еще быстрее, чем в жидкости, связи между частицами газообразных веществ практически отсутствуют, и никак не сцепленные частицы легко перемешиваются друг с другом, проникая в молекулы других газов. Небольшие коррективы при диффузии газов может вносить разве только гравитация.
Примеры в окружающем мире
Благодаря диффузии:
Значимый биологический процесс – фотосинтез осуществляется, в том числе и при помощи диффузии: как мы знаем, благодаря энергии солнечного света вода разлагается хлорофиллами на составляющие, кислород, который выделяется при этом, попадает в атмосферу и поглощается всеми живыми организмами. Так вот, и сам процесс поглощения кислорода человеком и животными, и обмен веществ у растений, все это поддерживается диффузией, без которой не могла бы существовать сама Жизнь.
Но это в глобальном плане, в более простых вещах, мы можем наблюдать диффузию:
Таких примером можно приводить еще много.
Видео
И в завершение образовательное видео по теме нашей статьи.
При написании статьи старался сделать ее максимально интересной, полезной и качественной. Буду благодарен за любую обратную связь и конструктивную критику в виде комментариев к статье. Также Ваше пожелание/вопрос/предложение можете написать на мою почту pavelchaika1983@gmail.com или в Фейсбук, с уважением автор.
Эта статья доступна на английском языке – Diffusion.
Скорость диффузии
Диффузия относится к наиболее простым явлениям, которые изучаются в рамках курса физики. Этот процесс можно представить на бытовом ежедневном уровне.
Диффузия представляет собой физический процесс взаимного проникновения атомов и молекул одного вещества между такими же структурными элементами другого вещества.
Итогом этого процесса становится выравнивание уровня концентрации в проникающих соединениях.
Диффузию или смешивание можно видеть каждое утро на собственной кухне, когда происходит приготовление чая, кофе или иных напитков, в состав которых входит несколько основных компонентов.
Подобный процесс первый раз смог научно описать Адольф Фик в середине 19 века. Он дал ему оригинальное название, которое переводится с латинского языка как взаимодействие или распространение.
Скорость диффузии зависит от нескольких факторов:
В различных газах, где существуют очень большие расстояние между молекулами, скорость диффузии будет самой большой. В жидкостях, где расстояние между молекулами заметно меньше, скорость также уменьшает свои показатели.
Самая маленькая скорость диффузии отмечается в твердых телах, поскольку в молекулярных связях наблюдается строгий порядок. Атомы и молекулы сами совершают незначительные колебательные движения на одном месте.
Скорость протекания диффузии увеличивается при росте окружающей температуры.
Закон Фика
Замечание 1
Скорость диффузии принято измерять количеством вещества, которое переносится за единицу времени. Все взаимодействия должны осуществляться через площадь поперечного сечения раствора.
Основной формулой скорости диффузии является:
$frac{dm}{dt}=-DCfrac{dC}{dx}$, где:
Такую формулу представил в виде математического описания Фик.
Согласно ей, скорость диффузии прямо пропорциональна градиенту концентрации и площади, через которую осуществляется процесс диффузии. Коэффициент пропорциональности определяет диффузию вещества.
Известный физик Альберт Эйнштейн вывел уравнения для коэффициента диффузии:
$D=RT/NA cdot 1/6pietaŋr$, где:
Из этих уравнений следует, что скорость диффузии будет возрастать:
Скорость диффузии уменьшается:
Если молярная масса увеличивается, тогда коэффициент диффузии уменьшается. В этом случае скорость диффузии также уменьшается.
Ускорение диффузии
Существуют различные условия, которые способствуют ускорению протекания диффузии. Быстрота диффузии зависит от агрегатного состояния исследуемого вещества. Большая плотность материала замедляет химическую реакцию.
На скорость взаимодействия молекул влияет температурный режим. Количественной характеристикой скорости диффузии является коэффициент. В системе измерений СИ его обозначают в виде латинской большой буквы D.
Он измеряется в квадратных сантиметрах или метрах на секунду времени.
Определение 1
Коэффициент диффузии равняется количеству вещества, которое распределяется среди другого вещества через определенную единицу поверхности. Взаимодействие должно осуществляться на протяжении единицы времени. Для эффектного решения задачи необходимо добиться условия, когда разность плотностей на обеих поверхностях будет равна единице.
Также на скорость диффузии в твердых телах, жидкости в газах влияет давление и излучение. Излучение может быть разных видов, в том числе индукционное, а также высокочастотное. Диффузия начинается при воздействии определенного вещества-катализатора. Они часто выступают в роли пускового механизма для возникновения стабильного процесса рассеивания частиц.
При помощи уравнения Аррениуса описывают зависимость коэффициента от температуры. Оно выглядит следующим образом:
$D = D0exp(-E/TR)$, где:
Формула позволяет больше понять о характерных чертах всего процесса диффузии и определяет скорость реакции.
Специальные методы диффузии
Сегодня практически нельзя применить обычные методы для определения молекулярного веса белков. Они обычно основаны на измерении:
Для эффективного решения задачи применяются специальные методы, которые разработаны для исследования веществ с высокой молекулярной структурой. Они предполагают определение скорости диффузии или вязкости растворов.
Метод определения ориентации и формы пор по скорости диффузии основан на исследовании скоростей диализа. В мембране должна происходить в этот момент свободная диффузия.
Также для определения скорости диффузии натрия могут применяться различные радиоизотопы. Такой специальный метод применяется для решения поставленных задач в сфере минералогии и геологии.
Активно применяется метод диффузии, который основан на определении диффузии макромолекул в растворе. Он был разработан для полимерных материалов. Согласно методу, идет определение коэффициента диффузии, а затем по этим данным узнают среднемассовую молекулярную массу.
В настоящее время отсутствуют прямые методы определения скорости диффузии водорода в катализаторе. Для этого используется так называемый второй путь активации.
Для определения скорости принято использовать специальные приборы. Они отличаются по виду от поставленных практических и научных задач.
Закон Фика для скорости диффузии. Математическое выражение, анализ уравнения
Диффузия – процесс самопроизвольного выравнивания концентрации молекул, ионов, кол.частиц под влиянием их теплового или броуновского движения.
Диффузия является макроскопическим проявлением теплового движения и поэтому идет тем быстрее, чем выше температура.
Явление диффузии необратимо, она протекает до полного выравнивания концентраций, так как хаотическому распределению частиц отвечает максимальная энтропия системы.
Закон Фика:
где dm – изменение количества вещества (масса вещества, переносимого путем диффузии); dx dc – градиент концентраций в направлении x; dS – площадь поперечного сечения, через которое диффундирует вещество; dτ – продолжительность диффузии; D – коэффициент диффузии (коэффициент пропорциональности).
Математическое выражение коэффициента диффузии. Анализ уравнения.
Коэффициент диффузии численно равен количеству вещества, пере- носимого путем диффузии в направлении x при градиенте концентрации dx dc = 1, через сечение в 1 единицу площади за 1 единицу времени. Коэф- фициент диффузии имеет размерность м2 /c. Концентрация в уравнениях (1) и (2) измеряется в кг/м3 или моль/м3 .
Знак (–) в уравнении (1) позволяет выразить массу вещества, переносимого путем диффузии, в виде положи- тельного числа, так как градиент концентраций – это величина отрица- тельная (движение веществ осуществляется в направлении уменьшения концентрации).
Коэффициент диффузии может быть рассчитан по уравнению Стокса- Эйнштейна:
R – универсальная газовая постоянная (8,314 Дж/(моль·К)); Т – температура; NA – число Авогадро; η – коэффициент динамической вязкости среды, в которой происходит диффузия; r – радиус диффундирующих частиц.
Таким образом, коэффициент диффузии зависит от природы диффундирующего вещества (размера частиц), от природы среды, в которой осуществляется диффузия (вязкости среды) и от температуры. Коэффициент диффузии увеличивается с ростом температуры и снижается с увеличением размера диффундирующих частиц и с повышением вязкости среды.
Значение диффузии в биологических процессах.
Диффузия играет важную роль в процессах жизнедеятельности клеток и тканей животных и растений (например, Диффузия кислорода из лёгких в кровь и из крови в ткани, всасывание продуктов пищеварения из кишечника, поглощение элементов минерального питания клетками корневых волосков, диффузия ионов при генерировании биоэлектрических импульсов нервными и мышечными клетками). Различная скорость диффузии ионов через клеточные мембраны — один из физических факторов, влияющих на избирательное накопление элементов в клетках организма.
Различают активный и пассивный перенос (транспорт) нейтральных молекул и ионов через биомембраны. Активный транспорт — происходит при затрате энергии за счет гидролиза АТФ или переноса протона по дыхательной цепи митохондрий.
Пассивный транспорт не связан с затратой клеткой химической энергии: он осуществляется в результате диффузии веществ в сторону меньшего электрохимического потенциала.
Примером активного транспорта может служить перенос ионов калия и натрия через цитоплазматические мембраны К — внутрь клетки, а Na — из нее, перенос кальция через саркоплазматического ретикулума скелетных и сердечных мышц внутрь везикул ретикулума, перенос ионов водорода через мембраны митохондрий из матрикса — наружу: все эти процессы происходят за счет энергии гидролиза АТФ и осуществляются особыми ферментами — транспортными АТФ-фазами. Наиболее известный пример пассивного транспорта — это движение ионов и калия через цитоплазматическую мембрану нервных волокон при распространении потенциала действия.
При облегченной диффузии вещества переносятся через мембрану также по градиенту концентрации, но с помощью специальных трансмембранных белков-переносчиков (транслоказ).
Белок-переносчик имеет центр связывания, комплементарный переносимому веществу, поэтому для облегченной диффузии, в отличие от простой, характерна высокая избирательность: для каждого вещества или группы сходных веществ имеется свой переносчик.
Диффузия. Что это такое? Примеры, формулы и определение
Начнем с определения. Что такое диффузия?
Диффузия — это процесс взаимного проникновения молекул одного вещества между молекулами другого. При этом перенос вещества происходит из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией.
Как и многие другие физические термины, это слово зародилось в языке древних римлян — латыни. Diffusio — распространение, растекание, рассеивание, взаимодействие.
«Но как это возможно? В каких веществах и телах происходит диффузия?» — спросите вы. Не беспокойтесь, сейчас во всем разберемся!
Строение вещества и агрегатные состояния
Наверняка вы слышали, что все вещества состоят из молекул. Золотой слиток, кактус на подоконнике и даже ваш любимый бургер ???? состоят из мельчайших частичек, которые являются носителями всех физических и химических свойств этого предмета или вещества.
В зависимости от агрегатного состояния, в газах, жидкостях и твердых телах меняются две вещи. Во-первых, расстояние между молекулами.
Давайте вспомним (или догадаемся), каким должно быть расстояние между молекулами, чтобы предмет характеризовали слова «твердый», «крепкий», «держащий форму»? Правильно, расстояние должно быть очень маленьким, чтобы молекулы выстраивались в стройные рядочки и, держась друг за друга, не позволяли телу растечься и потерять форму.
А если нам все же нужна эта текучесть? Тогда расстояние между молекулами нужно немного увеличить, но так, чтобы силы взаимодействия еще держали молекулы рядом друг с другом и они не разлетались по всему объему сосуда. Представьте, как тяжело было бы пить сок, если бы его пришлось ловить по всей комнате!
С газами происходит именно такая история. Газы (кислород, водород, хлор и другие) также состоят из молекул, но расстояние между ними настолько большое, что они обладают свойствами, отличными от свойств жидкостей и твердых тел: газы занимают весь предоставленный объем, легко сжимаются, не имеют своей формы.
Кивните, если все понятно. Кивнули? Прекрасно, идем дальше.
В зависимости от того, в каком состоянии находится вещество, будет меняться и скорость движения молекул (скорость зависит также от температуры, но об этом позже). В твердых телах молекулы выстраиваются в так называемые кристаллические решетки, об этом мы говорили выше.
Эта жесткая структура не позволяет молекулам летать где им вздумается и сталкиваться со своими братьями и сестрами. Все, что остается бедным молекулам, — вибрировать на своих местах и ждать тех времен, когда можно будет сменить агрегатное состояние на какое-нибудь другое.
Когда температура вещества поднимется и достигнет критического значения, тело начнет плавиться — становиться жидкостью. Молекулы при этом хоть и не обретают полную свободу, но начинают двигаться активнее. Они способны перепрыгивать со своих мест, сталкиваться с другими молекулами — вести активный образ жизни. И чем выше температура жидкости, тем быстрее двигаются молекулы.
А при переходе в газообразное состояние наступает полная свобода! Молекулы разрывают все связи друг с другом, двигаются очень быстро и хаотично, словно соревнуются по скорости полета, красоте кувырков и количеству столкновений.
В разрезе этой темы стоит упомянуть и броуновское движение. Похоже ли оно на диффузию?
Диффузия газов
Давайте проведем небольшой эксперимент — вам он точно понравится. Посадим родителей в зале и попросим проследить за окружающей обстановкой, понять, что изменилось. А сами уйдем в соседнюю комнату и начнем чистить апельсин. Как скоро родители почувствуют аромат цитрусов? Вероятно, очень скоро. Скорее, чем вам удастся съесть апельсин в одиночку.
А если вы забыли вынести мусор, хотя обещали? Неприятный запах выдаст вас достаточно скоро.
Каким образом происходит распространение запахов по воздуху? Правильный ответ — диффузия! Расстояния между молекулами в газах (а воздух — это газ) достаточно большие, поэтому между ними легко проскакивают другие частицы. Молекулы вещества маневрируют между частицами воздуха и перемешиваются в одну большую компанию.
Представьте футбольное поле с двумя командами. В начале игры каждая стоит на своей части, но как только звучит свисток арбитра, футболисты начинают матч, каждую секунду занимая новое положение. В конечном итоге мы увидим, как команды перемешались между собой. То же самое происходит и в процессе диффузии.
Интересно, что чем выше температура, тем быстрее этот процесс протекает. Именно поэтому запах свежеиспеченного хлеба можно почувствовать за несколько кварталов от булочной, а запах мороженого — нет.
Диффузия жидкостей
Если вы немного устали, можно сделать короткий перерыв и выпить горячего чая. А может, кофе или какао? Какой напиток вы предпочитаете? С молоком или без?
Важно ли это в свете изучаемой нами темы? Очень, ведь даже в таком обычном деле, как приготовление чая или кофе, можно наблюдать диффузию.
Записываем рецепт: берем стакан горячей воды, наливаем туда заварки, а потом молока. Добавляем сахар по вкусу. Но не спешите перемешивать! Обратите внимание, как жидкости сами перемешиваются между собой — и в итоге мы получаем ароматный бодрящий напиток.
Теперь вы можете объяснить это явление с помощью физики. Попробуем?
Дело в том, что молекулы заварки проникают в промежутки между молекулами воды и перемешиваются друг с другом до тех пор, пока мы не получим однородную смесь. Тот же процесс происходит и при добавлении молока, сиропов и других ингредиентов подобно тому, как этот процесс происходит в газах.
Единственное отличие — скорость протекания диффузии. В жидкостях расстояние между молекулами меньше, а значит, другим молекулам сложнее протиснуться — это занимает больше времени.
Диффузия жидкостей также зависит и от температуры. Именно поэтому есть смысл заваривать чай в горячей воде, а не в холодной или солить горячий суп.
Диффузия твердых тел
А как вы думаете, возможна ли диффузия твердых тел? Как быстро она будет протекать?
Да, диффузия возможна, и да, протекать она будет очень медленно. Чтобы молекулы одного твердого вещества проникли в другое всего на несколько миллиметров, понадобятся не дни и не месяцы, а годы! И причиной этому является очень маленькое расстояние между молекулами и их расположение в узлах кристаллической решетки.
Как ускорить этот процесс? Правильно, на помощь снова приходит температура. В огромных доменных печах слить несколько металлов в один можно достаточно быстро — для этого потребуется несколько часов.
Самые распространенные примеры диффузии твердых тел зачастую связаны именно с металлами. В обычной жизни мы используем большое количество предметов, в состав которых входят одновременно алюминий и железо, золото и серебро.
Чтобы изготовить самокат без использования технологии сварки и наплавления, пришлось бы ждать десятки лет — и катались бы вы на нем уже со своими внуками.
А развитие космической отрасли и компьютерных технологий с их чипами, микросхемами и платами вообще было бы невозможным.
Диффузия в окружающем мире
Затронем еще один вопрос: происходит ли диффузия в окружающем мире?
Думаем, вы уже знаете ответ: да, конечно! Можно сказать, что этот процесс происходит постоянно и является причиной многих явлений, о которых мы даже не задумывались. Давайте рассмотрим некоторые интересные примеры:
К сожалению, диффузия отвечает не только за положительные явления. Она также является причиной загрязнения нашей планеты: воздуха, воды, почвы. Молекулы канцерогенных, ядовитых веществ попадают в атмосферу и гидросферу, вызывая необратимые изменения.
И последнее: для решения задач про диффузию формула не нужна! Достаточно материала, который мы обсудили в этой статье. Приятная новость, правда?
На уроках физики в онлайн-школе Skysmart вы познакомитесь и с другими интересными явлениями, которые не раз заставят вас удивиться, а может, даже вдохновят разобраться в устройстве нашего мира еще лучше. Ждем вас на наших уроках!
Загрузка...
