ما الذي يحدد سرعة الانتشار؟ معدل الانتشار

جدول محتويات موضوع "المجهر الإلكتروني. الغشاء.":

العوامل المؤثرة معدل الانتشار، مجتمعة في قانون فيك. تنص على أن معدل الانتشار يتناسب مع التعبير التالي:

إذن، ما هي الجزيئات التي يمكن أن تمر عبر الأغشية حساب الانتشار؟ تنتشر الغازات مثل الأكسجين وثاني أكسيد الكربون بسرعة عبر الأغشية. على الرغم من أن جزيئات الماء شديدة الاستقطاب، إلا أنها صغيرة بما يكفي للانزلاق بين جزيئات الفوسفوليبيد الكارهة للماء دون أي تدخل.

وفي الوقت نفسه، الأيونات والقطبية أكبر جزيئات ذات مناطق كارهة للماءتتنافر الأغشية، وبالتالي عبر الغشاء ببطء شديد. هناك حاجة إلى آليات أخرى لدخولها إلى الخلية.

تدخل بعض الأيونات والجزيئات القطبية إلى الخلية باستخدام بروتينات النقل الخاصة. هذه هي بروتينات القناة والبروتينات الحاملة. القنوات المحبة للماء، أو المسام، لهذه البروتينات لها شكل محدد بدقة، يتوافق مع أيون أو جزيء معين. في بعض الأحيان، لا تمر القناة ضمن جزيء بروتين واحد، بل بين عدة جزيئات متجاورة.

انتشارالقنوات تذهب في كلا الاتجاهين. ويسمى هذا الانتشار بمساعدة بروتينات النقل نشر الميسر. تسمى البروتينات الناقلة التي تمر عبرها الأيونات بالقنوات الأيونية. عادة، تكون القنوات الأيونية مجهزة بـ "بوابات"، مما يعني أنها يمكن أن تفتح وتغلق. تلعب القنوات الأيونية، التي يمكن أن تفتح وتغلق، دورًا مهمًا في توصيل النبضات العصبية.

في بروتينات القناةتم إصلاح الشكل. وتبين أن المرض، المعروف باسم التليف الكيسي، ينجم عن خلل في البروتين الذي يعمل كقناة لأيونات الكلوريد. وعلى العكس من ذلك، في البروتينات الحاملة، يخضع الشكل لتغيرات سريعة تصل إلى 100 دورة في الثانية. إنهم موجودون في دولتين، وآلية عملهم تشبه لعبة بينج بونج.

ويوضح الشكل كيفية عمل هذه الآلية. ربط مناطق البروتين الناقلفي إحدى الحالات ("بينج") يواجهون الخارج، وفي الحالة الأخرى ("بونج") يواجهون الداخل. كلما زاد تركيز الجزيئات أو الأيونات الذائبة، زادت فرصة ارتباطها. إذا كان تركيز المذاب خارج الخلية أعلى منه داخل الخلية، كما في مثال الجلوكوز في الشكل، فسيتم توجيه التدفق الحقيقي لهذه المادة إلى الداخل، وسوف يتدفق إلى داخل الخلية.

هذه هي الطريقة التي يدخل بها الجلوكوز إلى خلايا الدم الحمراء. هذا النوع من الحركة لديه كل شيء السمات المميزةانتشارعلى الرغم من أنه يتم تسهيله من خلال مشاركة البروتين. مثال آخر على الانتشار الميسر هو حركة أيونات الكلوريد والبيكربونات بين خلايا الدم الحمراء وبلازما الدم أثناء ما يسمى بتحول الكلوريد. هذه إحدى الآليات التي تضمن النفاذية الجزئية والانتقائية للأغشية.

من بين الظواهر العديدة في الفيزياء، تعد عملية الانتشار واحدة من أبسط الظواهر وأكثرها قابلية للفهم. بعد كل شيء، كل صباح، عند إعداد الشاي أو القهوة العطرية، لدى الشخص الفرصة لمراقبة رد الفعل هذا في الممارسة العملية. دعونا نتعلم المزيد عن هذه العملية وشروط حدوثها في حالات التجميع المختلفة.

ما هو الانتشار

تشير هذه الكلمة إلى تغلغل جزيئات أو ذرات مادة ما بين وحدات بنيوية مماثلة لمادة أخرى. في هذه الحالة، يتم مساواة تركيز المركبات المخترقة.

تم وصف هذه العملية لأول مرة بالتفصيل من قبل العالم الألماني أدولف فيك في عام 1855.

اسم هذا المصطلح مشتق من الكلمة اللاتينية diffusio (التفاعل، التشتت، التوزيع).

الانتشار في السائل

يمكن أن تحدث العملية قيد النظر مع المواد في حالات التجميع الثلاث: الغازية والسائلة والصلبة. للعثور على أمثلة عملية على ذلك، ما عليك سوى إلقاء نظرة على المطبخ.

يعد بورشت المغلي على الموقد واحدًا منهم. تحت تأثير درجة الحرارة، تتفاعل جزيئات الجلوكوزين البيتانين (المادة التي تعطي البنجر اللون القرمزي الغني) بالتساوي مع جزيئات الماء، مما يمنحها لونًا بورجونديًا فريدًا. هذه الحالة في السوائل.

بالإضافة إلى البرش، يمكن أيضًا رؤية هذه العملية في كوب من الشاي أو القهوة. يتمتع كلا هذين المشروبين بظل موحد وغني نظرًا لحقيقة أن مشروب القهوة أو جزيئاتها المذابة في الماء تنتشر بالتساوي بين جزيئاتها وتلونها. يعتمد عمل جميع المشروبات سريعة التحضير الشهيرة في التسعينيات على نفس المبدأ: Yupi، Invite، Zuko.

تداخل الغازات

تكون الذرات والجزيئات التي تحمل الرائحة في حركة نشطة، ونتيجة لذلك، تختلط مع الجزيئات الموجودة بالفعل في الهواء وتنتشر بشكل متساوٍ في جميع أنحاء الغرفة.

وهذا مظهر من مظاهر الانتشار في الغازات. ومن الجدير بالذكر أن استنشاق الهواء نفسه يرتبط أيضًا بالعملية قيد النظر، وكذلك رائحة البرش الشهية الطازجة في المطبخ.

الانتشار في المواد الصلبة

طاولة المطبخ التي توجد عليها زهور مغطاة بمفرش طاولة مشرق. اللون الأصفر. لقد حصل على ظل مماثل بسبب قدرة الانتشار على المرور المواد الصلبة.

تتم عملية إعطاء القماش بعض الظل الموحد على عدة مراحل على النحو التالي.

1. تنتشر جزيئات الصبغة الصفراء في خزان الصبغة باتجاه المادة الليفية.
2. ثم يتم امتصاصها بواسطة السطح الخارجي للنسيج المصبوغ.
3. وكانت الخطوة التالية هي نشر الصبغة مرة أخرى، ولكن هذه المرة في ألياف القماش.
4. وأخيرًا، يثبت القماش جزيئات الصبغة، وبالتالي يصبح ملونًا.

انتشار الغازات في المعادن

عادة، عندما نتحدث عن هذه العملية، فإننا نأخذ في الاعتبار تفاعلات المواد في حالات التجميع المتطابقة. على سبيل المثال، الانتشار في المواد الصلبة، المواد الصلبة. ولإثبات هذه الظاهرة يتم إجراء تجربة عن طريق ضغط لوحين معدنيين (الذهب والرصاص) على بعضهما البعض. يحدث تداخل جزيئاتها لفترة طويلة (مليمتر واحد في خمس سنوات). تُستخدم هذه العملية لصنع مجوهرات غير عادية.

ومع ذلك، فإن المركبات في حالات التجميع المختلفة تكون أيضًا قادرة على الانتشار. على سبيل المثال، هناك انتشار الغازات في المواد الصلبة.

خلال التجارب ثبت أن عملية مماثلة تحدث في الحالة الذرية. لتنشيطه، كقاعدة عامة، هناك حاجة إلى زيادة كبيرة في درجة الحرارة والضغط.

مثال على هذا الانتشار الغازي في المواد الصلبة هو تآكل الهيدروجين. يتجلى في المواقف التي تنشأ في عملية البعض تفاعل كيميائيتخترق ذرات الهيدروجين (H 2) تحت تأثير درجات الحرارة المرتفعة (من 200 إلى 650 درجة مئوية) بين الجزيئات الهيكلية للمعدن.

بالإضافة إلى الهيدروجين، يمكن أيضًا أن يحدث انتشار للأكسجين والغازات الأخرى في المواد الصلبة. هذه العملية، غير المرئية للعين، تجلب الكثير من الضرر، لأن الهياكل المعدنية يمكن أن تنهار بسببها.

انتشار السوائل في المعادن

ومع ذلك، لا يمكن لجزيئات الغاز فقط اختراق المواد الصلبة، ولكن أيضًا السوائل. كما هو الحال في حالة الهيدروجين، غالبا ما تؤدي هذه العملية إلى التآكل (إذا كنا نتحدث عن المعادن).

من الأمثلة الكلاسيكية على انتشار السائل في المواد الصلبة تآكل المعادن تحت تأثير الماء (H 2 O) أو محاليل الإلكتروليت. بالنسبة لمعظم الناس، هذه العملية مألوفة أكثر تحت اسم الصدأ. على عكس التآكل الهيدروجيني، يتم مواجهته عمليًا في كثير من الأحيان.

شروط تسريع الانتشار. معامل الإنتشار

بعد أن فهمت ما هي المواد التي يمكن أن تحدث فيها العملية المعنية، فإن الأمر يستحق معرفة شروط حدوثها.

بادئ ذي بدء، تعتمد سرعة الانتشار على حالة التجميع التي تكون فيها المواد المتفاعلة. كلما كان التفاعل أكبر، كانت سرعته أبطأ.

وفي هذا الصدد، سيكون الانتشار في السوائل والغازات دائمًا أكثر نشاطًا منه في المواد الصلبة.

على سبيل المثال، إذا تم إلقاء بلورات برمنجنات البوتاسيوم KMnO 4 (برمنجنات البوتاسيوم) في الماء، فسوف تمنحها لونًا قرمزيًا جميلًا في غضون دقائق قليلة. ومع ذلك، إذا قمت برش بلورات KMnO 4 على قطعة من الثلج ووضعتها كلها في الثلاجة، فبعد عدة ساعات لن تتمكن برمنجنات البوتاسيوم من تلوين H 2 O المتجمد بالكامل.

من المثال السابق يمكننا استخلاص نتيجة أخرى حول شروط الانتشار. بالإضافة إلى حالة التجميع، تؤثر درجة الحرارة أيضًا على معدل تداخل الجزيئات.

للنظر في اعتماد العملية قيد النظر عليها، يجدر التعرف على مفهوم مثل معامل الانتشار. وهذا هو اسم الخاصية الكمية لسرعته.

في معظم الصيغ يتم الإشارة إليه باستخدام الحرف اللاتيني الكبير D، وفي نظام SI يتم قياسه بالمتر المربع في الثانية (m²/s)، وأحيانًا بالسنتيمتر في الثانية (cm 2 /m).

معامل الانتشار يساوي كمية المادة المنتشرة عبر سطح وحدة خلال وحدة زمنية، بشرط أن يكون الفرق في الكثافة على كلا السطحين (الموجودين على مسافة تساوي وحدة الطول) يساوي الوحدة. المعايير التي تحدد D هي خصائص المادة التي تحدث فيها عملية تشتت الجسيمات نفسها، ونوعها.

يمكن وصف اعتماد المعامل على درجة الحرارة باستخدام معادلة أرينيوس: D = D 0exp (-E/TR).

في الصيغة المدروسة، E هو الحد الأدنى من الطاقة المطلوبة لتنشيط العملية؛ T - درجة الحرارة (تقاس بالكلفن، وليس بالدرجة المئوية)؛ R هو ثابت الغاز، وهو خاصية للغاز المثالي.

بالإضافة إلى كل ما سبق فإن معدل انتشار المواد الصلبة والسوائل في الغازات يتأثر بالضغط والإشعاع (الحث أو التردد العالي). بالإضافة إلى ذلك، يعتمد الكثير على وجود مادة محفزة، وغالبًا ما تعمل كمحفز للتشتت النشط للجزيئات.

معادلة الانتشار

هذه الظاهرة هي نوع خاص من المعادلات التفاضلية الجزئية.

هدفها هو العثور على اعتماد تركيز المادة على حجم وإحداثيات الفضاء (الذي تنتشر فيه)، وكذلك الوقت. في هذه الحالة، يحدد المعامل المحدد نفاذية وسط التفاعل.

في أغلب الأحيان، تتم كتابة معادلة الانتشار على النحو التالي: ∂φ (r,t)/∂t = ∇ x.

فيه، φ (t و r) هي كثافة المادة المتناثرة عند النقطة r في الوقت t. D (φ، r) هو معامل الانتشار المعمم عند الكثافة φ عند النقطة r.

∇ هو عامل تفاضلي متجه تكون مكوناته الإحداثية مشتقات جزئية.

عندما يعتمد معامل الانتشار على الكثافة، تكون المعادلة غير خطية. عندما لا - خطي.

وبعد النظر في تعريف الانتشار ومميزات هذه العملية في بيئات مختلفة، يمكن ملاحظة أن لها جوانب إيجابية وسلبية.

لماذا ترى هذه الرسالة؟. إذا كنت مالكه استخدم التعليمات لقد انتهت فترة الاستضافة المدفوعة مقدما للموقع. إذا كنت مالكه فأنت بحاجة إلى تعبئة رصيدك، وقد قرر صاحب الموقع تعطيله، حيث خالف الموقع شروط اتفاقية استضافته.

NetAngels :: استضافة احترافية

هاتف: 8-800-2000-699 (الاتصال داخل الاتحاد الروسي مجاني)

الاستضافة هي خدمة وضع موقع على خادم مقدم الخدمة أو خادم على موقع المزود (في مركز البيانات)، أي. توفير اتصال بالإنترنت على مدار الساعة وإمدادات الطاقة والتبريد دون انقطاع. في الأساس، الطلب على استضافة مواقع الويب أكبر بكثير من الطلب على خوادم الاستضافة، لأن استضافة خوادمك الخاصة عادة ما تكون ضرورية فقط لمواقع الويب أو البوابات الكبيرة إلى حد ما. كما أن مواقع الاستضافة نفسها تسمى بالمواقع أو الخوادم التي تقدم هذه الخدمة.

في دورة الفيزياء المدرسية (في الصف السابع تقريبًا)، يتعلم تلاميذ المدارس أن الانتشار هو عملية تمثل الاختراق المتبادل لجزيئات مادة واحدة بين جزيئات مادة أخرى، مما يؤدي إلى معادلة التركيزات في جميع أنحاء الحجم المشغول. هذا تعريف يصعب فهمه إلى حد ما. لمعرفة ما هو عليه انتشار بسيط، قانون الانتشار، معادلته، من الضروري دراسة المواد المتعلقة بهذه القضايا بالتفصيل. ومع ذلك، إذا كان الشخص لديه ما يكفي فكرة عامة، فإن البيانات الواردة أدناه ستساعدك على اكتساب المعرفة الأساسية.

ظاهرة فيزيائية - ما هو؟

نظرًا لحقيقة أن الكثير من الناس مرتبكون أو لا يعرفون على الإطلاق ما هي الظاهرة الفيزيائية وكيف تختلف عن الظاهرة الكيميائية، وكذلك نوع الظواهر التي يشير إليها الانتشار، فمن الضروري أن نفهم ما هي الظاهرة الفيزيائية . إذن، وكما يعلم الجميع، فإن الفيزياء علم مستقل ينتمي إلى مجال العلوم الطبيعية، يدرس القوانين الطبيعية العامة حول بنية المادة وحركتها، كما يدرس المادة نفسها. وبناء على ذلك فإن الظاهرة الفيزيائية هي ظاهرة لا تتشكل نتيجة لها مواد جديدة، بل يحدث فقط تغيير في بنية المادة. الفرق بين الظاهرة الفيزيائية والظاهرة الكيميائية هو على وجه التحديد أنه لا يتم إنتاج مواد جديدة نتيجة لذلك. وبالتالي فإن الانتشار هو ظاهرة فيزيائية.

تعريف مصطلح الانتشار

كما تعلمون، يمكن أن يكون هناك العديد من الصياغات لمفهوم معين، ولكن المعنى العام لا ينبغي أن يتغير. وظاهرة الانتشار ليست استثناء. التعريف المعمم هو كما يلي: الانتشار هو ظاهرة فيزيائية تمثل الاختراق المتبادل للجزيئات (الجزيئات والذرات) لمادتين أو أكثر حتى توزيع موحد في كامل الحجم الذي تشغله هذه المواد. نتيجة للانتشار، لا يتم تشكيل أي مواد جديدة، وهذا هو السبب في ذلك ظاهرة فيزيائية. يُطلق على الانتشار البسيط اسم الانتشار، ونتيجة لذلك تنتقل الجزيئات من منطقة ذات تركيز أعلى إلى منطقة ذات تركيز أقل، والذي يحدث بسبب الحركة الحرارية (الفوضوية، البراونية) للجزيئات. وبعبارة أخرى، الانتشار هو عملية خلط جزيئات المواد المختلفة، ويتم توزيع الجزيئات بالتساوي في جميع أنحاء الحجم بأكمله. وهذا تعريف مبسط للغاية، ولكنه الأكثر قابلية للفهم.

أنواع الانتشار

يمكن تسجيل الانتشار عند مراقبة الغازات و المواد السائلة، وللصلبة. ولذلك فهو يشمل عدة أنواع:

• الانتشار الكمي هو عملية انتشار الجسيمات أو العيوب النقطية (اضطرابات محلية في الشبكة البلورية لمادة ما)، والتي تحدث في المواد الصلبة. الاضطرابات المحلية هي اضطرابات عند نقطة معينة في الشبكة البلورية.

• الغروية - يحدث الانتشار في كامل حجم النظام الغروي. النظام الغروي هو وسط تختلف فيه الجزيئات والفقاعات وقطرات أخرى حالة التجميعوالتكوين من أول الأربعاء. تتم دراسة هذه الأنظمة، وكذلك العمليات التي تحدث فيها، بالتفصيل في سياق الكيمياء الغروية.
• الحمل الحراري - نقل الجسيمات الدقيقة لمادة واحدة عن طريق الجسيمات الكبيرة للوسط. ويتناول فرع خاص من الفيزياء، يسمى الديناميكا المائية، دراسة حركة الوسائط المستمرة. ومن هناك يمكنك اكتساب المعرفة حول حالات التدفق.
• الانتشار المضطرب هو عملية نقل مادة إلى أخرى، بسبب حركة مضطربةالمادة الثانية (نموذجية للغازات والسوائل).

تم التأكيد على أن الانتشار يمكن أن يحدث في الغازات والسوائل والمواد الصلبة.

ما هو قانون فيك؟

اشتق العالم الألماني الفيزيائي فيك قانونًا يوضح اعتماد كثافة تدفق الجسيمات عبر وحدة المساحة على التغير في تركيز المادة لكل وحدة طول. هذا القانون هو قانون الانتشار. يمكن صياغة القانون على النحو التالي: يتناسب تدفق الجسيمات الموجه على طول المحور مع مشتقة عدد الجزيئات بالنسبة للمتغير المرسوم على طول المحور الذي يتم تحديد اتجاه تدفق الجسيمات عليه. بمعنى آخر، يتناسب تدفق الجسيمات المتحركة في اتجاه المحور مع مشتقة عدد الجسيمات بالنسبة للمتغير، والذي يتم رسمه على نفس محور التدفق. يسمح لنا قانون فيك بوصف عملية انتقال المادة في الزمان والمكان.

معادلة الانتشار

عندما يكون هناك تدفقات في مادة ما، تحدث إعادة توزيع المادة نفسها في الفضاء. وفي هذا الصدد، هناك العديد من المعادلات التي تصف عملية إعادة التوزيع هذه من وجهة نظر مجهرية. معادلة الانتشار تفاضلية. يتبع من المعادلة العامةنقل المادة، والتي تسمى أيضًا معادلة الاستمرارية. في حالة الانتشار، يتم استخدام قانون فيك، الموصوف أعلاه. تبدو المعادلة كما يلي:

dn/dt=(d/dx)*(D*(dn/dx)+q.

طرق الانتشار

لقد تم استخدام طريقة الانتشار، أو بشكل أكثر دقة طريقة تنفيذها في المواد الصلبة، على نطاق واسع في الآونة الأخيرة. ويرجع ذلك إلى مزايا الطريقة، ومن بينها بساطة المعدات المستخدمة والعملية نفسها. إن جوهر طريقة الانتشار من المصادر الصلبة هو ترسيب الأفلام المشبعة بعنصر واحد أو أكثر على أشباه الموصلات. هناك عدة طرق أخرى لإجراء الانتشار بالإضافة إلى طريقة المصدر الصلب:

• في حجم مغلق (طريقة الأمبولة). يعتبر الحد الأدنى من السمية ميزة لهذه الطريقة، ولكن تكلفتها العالية، بسبب إمكانية التخلص من الأمبولة، تعد عيبًا كبيرًا؛
• في حجم مفتوح (الانتشار الحراري). يتم استبعاد إمكانية استخدام العديد من العناصر بسبب ارتفاع درجات الحرارة، كما أن الانتشار الجانبي من العيوب الكبيرة لهذه الطريقة؛
• في مجلد مغلق جزئيًا (طريقة الصندوق). هذه طريقة وسيطة بين الطريقتين الموصوفتين أعلاه.

من أجل معرفة المزيد عن أساليب وميزات الانتشار، من الضروري دراسة الأدبيات الإضافية المخصصة لهذه القضايا على وجه التحديد.