Mis määrab difusiooni kiiruse? Difusioonikiirus

Teema "Elektronmikroskoopia. Membraan" sisukord:

Mõjutavad tegurid difusioonikiirus, kombineeritud Ficki seadus. Selles öeldakse, et difusioonikiirus on võrdeline järgmise avaldisega:

Niisiis, millised molekulid võivad membraane läbida difusioonikonto? Gaasid, nagu hapnik ja süsinikdioksiid, difundeeruvad kiiresti läbi membraanide. Kuigi veemolekulid on väga polariseeritud, on need piisavalt väikesed, et libiseda hüdrofoobsete fosfolipiidimolekulide vahel ilma segamiseta.

Samal ajal ioonid ja suuremad polaarsed hüdrofoobsete piirkondadega molekulid membraanid tõrjuvad ja seetõttu läbi membraani äärmiselt aeglaselt. Nende rakku sisenemiseks on vaja muid mehhanisme.

Mõned ioonid ja polaarsed molekulid sisenevad rakku kasutades spetsiaalsed transpordivalgud. Need on kanalivalgud ja kandevalgud. Nende valkude veega täidetud hüdrofiilsetel kanalitel või pooridel on rangelt määratletud kuju, mis vastab konkreetsele ioonile või molekulile. Mõnikord ei liigu kanal mitte ühe valgumolekuli sees, vaid mitme naabermolekuli vahel.

Difusioon kanalid lähevad mõlemas suunas. Seda difusiooni transpordivalkude abil nimetatakse hõlbustatud difusioon. Transpordivalke, mida ioonid läbivad, nimetatakse ioonikanaliteks. Tavaliselt on ioonkanalid varustatud "väravatega", mis tähendab, et neid saab avada ja sulgeda. Närviimpulsside juhtimises mängivad olulist rolli ioonikanalid, mis võivad avaneda ja sulgeda.

Kanalivalkudes kuju on fikseeritud. On näidatud, et haigus, mida tuntakse tsüstilise fibroosina, tuleneb defektist valgus, mis toimib kloriidioonide kanalina. Vastupidi, kandjavalkudes muutub kuju kiiresti, kuni 100 tsüklit sekundis. Need eksisteerivad kahes olekus ja nende toimemehhanism meenutab pingpongi mängu.

Joonis näitab, kuidas see mehhanism töötab. Köitmine kandjavalgu piirkonnadühes olekus ("ping") on nad suunatud väljapoole ja teises ("pong") sissepoole. Mida suurem on lahustunud molekulide või ioonide kontsentratsioon, seda suurem on nende seostumise võimalus. Kui lahustunud aine kontsentratsioon väljaspool on suurem kui raku sees, nagu joonisel näidatud glükoosi näites, suunatakse selle aine tegelik vool sissepoole ja see voolab rakku.

Nii siseneb glükoos punastesse verelibledesse. Sellises liikumises on kõike iseloomulikud tunnused difusioon, kuigi seda soodustab valgu osalus. Teine näide hõlbustatud difusioonist on kloriidi- ja vesinikkarbonaadiioonide liikumine punaste vereliblede ja vereplasma vahel niinimetatud kloriidi nihke ajal. See on üks mehhanismidest, mis tagab membraanide osalise ja selektiivse läbilaskvuse.

Arvukate füüsikanähtuste hulgas on difusiooniprotsess üks lihtsamaid ja arusaadavamaid. Lõppude lõpuks on inimesel igal hommikul aromaatset teed või kohvi valmistades võimalus seda reaktsiooni praktikas jälgida. Tutvume selle protsessi ja selle toimumise tingimustega erinevates liitmisolekutes lähemalt.

Mis on difusioon

See sõna viitab ühe aine molekulide või aatomite tungimisele teise aine sarnaste struktuuriüksuste vahele. Sel juhul võrdsustub läbistavate ühendite kontsentratsioon.

Seda protsessi kirjeldas esmakordselt üksikasjalikult saksa teadlane Adolf Fick 1855. aastal.

Selle termini nimi tulenes ladinakeelsest sõnast diffusio (interaktsioon, hajumine, levik).

Difusioon vedelikus

Vaadeldav protsess võib toimuda ainetega, mis on kõigis kolmes agregatsiooni olekus: gaasiline, vedel ja tahke. Selle praktiliste näidete leidmiseks vaadake lihtsalt kööki.

Pliidil podisev borš on üks neist. Temperatuuri mõjul reageerivad glükosiini betaniini molekulid (aine, mis annab peedile nii rikkaliku helepunase värvuse) ühtlaselt veemolekulidega, andes sellele ainulaadse Burgundia tooni. See juhtum on vedelikes.

Lisaks boršile on seda protsessi näha ka tee- või kohviklaasis. Mõlemal joogil on selline ühtlane, rikkalik toon, mis tuleneb asjaolust, et vees lahustuv kohvijook või osakesed jaotuvad molekulide vahel ühtlaselt, värvides seda. Kõigi üheksakümnendate populaarsete lahustuvate jookide tegevus põhineb samal põhimõttel: Yupi, Invite, Zuko.

Gaaside läbitungimine

Lõhna kandvad aatomid ja molekulid on aktiivses liikumises ning segunevad selle tulemusena juba õhus sisalduvate osakestega ning on ruumis üsna ühtlaselt hajutatud.

See on gaaside difusiooni ilming. Väärib märkimist, et vaadeldava protsessiga on seotud ka õhu sissehingamine ise, nagu ka värskelt valmistatud borši isuäratav lõhn köögis.

Difusioon tahkistes

Köögilaud, millel on lilled, on kaetud heleda laudlinaga. kollast värvi. See sai sarnase varjundi tänu difusiooni läbimisvõimele tahked ained.

Lõuendile ühtlase varjundi andmise protsess toimub mitmes etapis järgmiselt.

1. Kollase pigmendi osakesed hajusid värvipaagis kiulise materjali suunas.
2. Seejärel neeldusid need värvitava kanga välispinnaga.
3. Järgmine samm oli värvi uuesti hajutamine, kuid seekord kanga kiududesse.
4. Lõpuks fikseeris kangas pigmendiosakesed, muutes seeläbi värviliseks.

Gaaside difusioon metallides

Tavaliselt käsitleme sellest protsessist rääkides identses agregatsiooniolekus olevate ainete koostoimeid. Näiteks difusioon tahketes ainetes, tahked ained. Selle nähtuse tõestamiseks tehakse katse kahe teineteise vastu surutud metallplaadiga (kuld ja plii). Nende molekulide läbitungimine toimub üsna pikka aega (üks millimeeter viie aasta jooksul). Seda protsessi kasutatakse ebatavaliste ehete valmistamiseks.

Kuid erinevas agregatsiooniseisundis ühendid on samuti võimelised difundeeruma. Näiteks toimub gaaside difusioon tahketes ainetes.

Katsete käigus tõestati, et sarnane protsess toimub ka aatomi olekus. Selle aktiveerimiseks on reeglina vajalik temperatuuri ja rõhu oluline tõus.

Sellise gaasilise difusiooni näide tahkestes ainetes on vesiniku korrosioon. See avaldub olukordades, kus mõne protsessi käigus tekkiv keemiline reaktsioon Vesinikuaatomid (H 2) tungivad kõrgete temperatuuride (200–650 kraadi Celsiuse järgi) mõjul metalli struktuursete osakeste vahele.

Tahketes ainetes võib lisaks vesinikule toimuda ka hapniku ja muude gaaside difusioon. See silmale nähtamatu protsess toob palju kahju, sest metallkonstruktsioonid võivad selle tõttu kokku kukkuda.

Vedelike difusioon metallides

Kuid mitte ainult gaasimolekulid ei suuda läbida tahkeid aineid, vaid ka vedelikke. Nagu vesiniku puhul, põhjustab see protsess enamasti korrosiooni (kui me räägime metallidest).

Klassikaline näide vedelike difusioonist tahketes ainetes on metallide korrosioon vee (H 2 O) või elektrolüütide lahuste mõjul. Enamiku jaoks on see protsess tuttavam roostetamise nime all. Erinevalt vesiniku korrosioonist kohtab seda praktikas palju sagedamini.

Tingimused difusiooni kiirendamiseks. Difusioonikoefitsient

Olles välja mõelnud, millistes ainetes võib kõnealune protsess toimuda, tasub teada saada selle toimumise tingimused.

Esiteks sõltub difusiooni kiirus sellest, millises agregatsiooniseisundis on interakteeruvad ained. Mida suurem on reaktsioon, seda aeglasem on selle kiirus.

Sellega seoses on difusioon vedelikes ja gaasides alati aktiivsem kui tahketes ainetes.

Näiteks kui visata vette kaaliumpermanganaadi KMnO 4 (kaaliumpermanganaadi) kristalle, annavad need mõne minutiga sellele kauni karmiinpunase värvi. Kui aga puistata jäätükile KMnO 4 kristalle ja panna see kõik sügavkülma, siis mitme tunni pärast ei suuda kaaliumpermanganaat külmunud H 2 O täielikult värvida.

Eelnevast näitest saame teha teise järelduse difusioonitingimuste kohta. Lisaks agregatsiooni olekule mõjutab temperatuur ka osakeste läbitungimise kiirust.

Vaadeldava protsessi sõltuvuse arvestamiseks sellest tasub õppida tundma sellist mõistet nagu difusioonikoefitsient. See on selle kiiruse kvantitatiivse tunnuse nimi.

Enamikus valemites on see tähistatud suure ladina tähega D ja SI-süsteemis mõõdetakse seda ruutmeetrites sekundis (m²/s), mõnikord sentimeetrites sekundis (cm 2 /m).

Difusioonikoefitsient võrdub aine kogusega, mis on hajutatud läbi pinnaühiku ajaühiku jooksul, eeldusel, et tiheduste erinevus mõlemal pinnal (mis asuvad ühiku pikkusega võrdsel kaugusel) on võrdne ühtsusega. D määravad kriteeriumid on aine omadused, milles osakeste hajumise protsess ise toimub, ja nende tüüp.

Koefitsiendi sõltuvust temperatuurist saab kirjeldada Arrheniuse võrrandi abil: D = D 0exp (-E/TR).

Vaadeldavas valemis on E minimaalne energia, mis on vajalik protsessi aktiveerimiseks; T - temperatuur (mõõdetakse kelvinites, mitte Celsiuse kraadides); R on ideaalsele gaasile iseloomulik gaasikonstant.

Lisaks kõigele eelnevale mõjutab difusioonikiirust tahketes ainetes ja vedelikes gaasides rõhk ja kiirgus (induktsioon või kõrgsagedus). Lisaks sõltub palju katalüütilise aine olemasolust, sageli toimib see osakeste aktiivse dispersiooni käivitajana.

Difusioonivõrrand

See nähtus on osalise diferentsiaalvõrrandi eritüüp.

Selle eesmärk on leida aine kontsentratsiooni sõltuvus ruumi suurusest ja koordinaatidest (milles see hajub), samuti ajast. Sel juhul iseloomustab antud koefitsient reaktsioonikeskkonna läbilaskvust.

Kõige sagedamini kirjutatakse difusioonivõrrand järgmiselt: ∂φ (r,t)/∂t = ∇ x.

Selles on φ (t ja r) hajutava aine tihedus punktis r ajahetkel t. D (φ, r) on üldistatud difusioonikoefitsient tiheduse φ juures punktis r.

∇ on vektori diferentsiaaloperaator, mille koordinaatkomponendid on osatuletised.

Kui difusioonikoefitsient sõltub tihedusest, on võrrand mittelineaarne. Kui mitte - lineaarne.

Arvestades difusiooni määratlust ja selle protsessi iseärasusi erinevates keskkondades, võib märkida, et sellel on nii positiivseid kui ka negatiivseid külgi.

Miks sa seda teadet näed?. Kui olete selle omanik, järgige juhiseid. Saidi ettemakstud hostimisperiood on aegunud. Kui olete selle omanik, peate oma saldot täiendama Veebisaidi omanik otsustas selle keelata. Veebisait rikkus selle hostimise lepingu tingimusi.

NetAngels :: Professionaalne hostimine

Tel.: 8-800-2000-699 (Vene Föderatsiooni piires helistamine on tasuta)

Hosting on teenus veebisaidi paigutamiseks pakkuja serverisse või teenusepakkuja saidi serverisse (andmekeskusesse), st. ööpäevaringse internetiühenduse, katkematu toite ja jahutuse tagamine. Põhimõtteliselt on nõudlus veebisaitide hostimise järele palju suurem kui serverite hostimise järele, sest tavaliselt on oma serverite majutamine vajalik vaid üsna suurte veebisaitide või portaalide jaoks. Ka hostimissaite nimetatakse saitideks või serveriteks, mis seda teenust pakuvad.

Koolifüüsika kursusel (umbes seitsmendas klassis) saavad kooliõpilased selgeks, et difusioon on protsess, mis kujutab endast ühe aine osakeste vastastikust tungimist teise aine osakeste vahele, mille tulemusena kontsentratsioonid ühtlustuvad kogu hõivatud ruumala ulatuses. Seda määratlust on üsna raske mõista. Et aru saada, mis see on lihtne difusioon, difusiooniseadust, selle võrrandit, on vaja üksikasjalikult uurida nende küsimuste materjale. Kui aga inimesel on piisavalt üldine idee, siis aitavad allolevad andmed teil põhiteadmisi omandada.

Füüsiline nähtus - mis see on

Kuna paljud inimesed on segaduses või ei tea üldse, mis on füüsikaline nähtus ja mille poolest see keemilisest erineb, samuti sellest, millist tüüpi nähtustele difusioon viitab, on vaja mõista, mis on füüsikaline nähtus. . Niisiis, nagu kõik teavad, on füüsika iseseisev loodusteaduste valdkonda kuuluv teadus, mis uurib üldisi loodusseadusi aine ehituse ja liikumise kohta ning uurib ka ainet ennast. Vastavalt sellele on füüsikaline nähtus nähtus, mille tulemusena ei teki uusi aineid, vaid toimub ainult aine struktuuri muutus. Füüsikalise ja keemilise nähtuse erinevus seisneb just selles, et selle tulemusena ei teki uusi aineid. Seega on difusioon füüsiline nähtus.

Mõiste difusioon definitsioon

Teatavasti võib konkreetse mõiste sõnastusi olla palju, kuid üldine tähendus ei tohiks muutuda. Ja difusiooni nähtus pole erand. Üldistatud määratlus on järgmine: difusioon on füüsikaline nähtus, mis tähistab kahe või enama aine osakeste (molekulide, aatomite) vastastikust läbitungimist kuni ühtlase jaotumiseni kogu nende ainete poolt hõivatud ruumala ulatuses. Difusiooni tulemusena ei teki uusi aineid, mistõttu just füüsiline nähtus. Lihtsat difusiooni nimetatakse difusiooniks, mille tulemusena liiguvad osakesed kõrgeima kontsentratsiooniga alalt madalama kontsentratsiooniga piirkonda, mis on põhjustatud osakeste termilisest (kaootilisest, Browni) liikumisest. Teisisõnu, difusioon on erinevate ainete osakeste segamise protsess ja osakesed jaotuvad kogu mahu ulatuses ühtlaselt. See on väga lihtsustatud määratlus, kuid kõige arusaadavam.

Difusiooni tüübid

Difusiooni saab registreerida nii gaasilise kui ka vedelad ained, ja tahkete jaoks. Seetõttu sisaldab see mitut tüüpi:

• Kvantdifusioon on osakeste või punktdefektide (lokaalsed häired aine kristallvõres) difusiooniprotsess, mis toimub tahketes ainetes. Lokaalsed häired on häired kristallvõre kindlas punktis.

• Kolloidne - difusioon, mis toimub kogu kolloidsüsteemi mahus. Kolloidne süsteem on keskkond, milles erinevad osakesed, mullid, tilgad agregatsiooni olek ja kompositsioon esimesest, kolmapäevast. Selliseid süsteeme ja ka neis toimuvaid protsesse uuritakse üksikasjalikult kolloidkeemia käigus.
• Konvektiivne - ühe aine mikroosakeste ülekandmine söötme makroosakeste kaudu. Füüsika eriharu, mida nimetatakse hüdrodünaamikaks, tegeleb pideva keskkonna liikumise uurimisega. Sealt saate teadmisi voolu olekute kohta.
• Turbulentne difusioon on ühe aine ülekandumine teise, mille põhjustab turbulentne liikumine teine ​​aine (tüüpiline gaaside ja vedelike puhul).

Kinnitust leiab väide, et difusioon võib toimuda nii gaasides ja vedelikes kui ka tahketes ainetes.

Mis on Ficki seadus?

Saksa teadlane, füüsik Fick tuletas seaduse, mis näitab osakeste voo tiheduse sõltuvust pindalaühiku kaudu aine kontsentratsiooni muutusest pikkuseühiku kohta. See seadus on difusiooniseadus. Seaduse saab sõnastada järgmiselt: osakeste vool, mis on suunatud piki telge, on võrdeline osakeste arvu tuletisega muutuja suhtes, mis on kantud piki telge, mille suhtes osakeste voolu suund määratakse. Teisisõnu, telje suunas liikuvate osakeste voog on võrdeline osakeste arvu tuletisega muutuja suhtes, mis on joonistatud piki vooluga sama telge. Ficki seadus võimaldab kirjeldada aine ülemineku protsessi ajas ja ruumis.

Difusioonivõrrand

Kui aines on voolud, toimub aine enda ümberjaotumine ruumis. Sellega seoses on mitu võrrandit, mis kirjeldavad seda ümberjaotusprotsessi makroskoopilisest vaatepunktist. Difusioonivõrrand on diferentsiaal. Sellest tuleneb üldvõrrand aine ülekanne, mida nimetatakse ka järjepidevusvõrrandiks. Difusiooni olemasolul kasutatakse Ficki seadust, mida on kirjeldatud eespool. Võrrand näeb välja selline:

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

Difusioonimeetodid

Viimasel ajal on laialdaselt kasutatud difusioonimeetodit, täpsemalt selle tahkete materjalide rakendamise meetodit. Selle põhjuseks on meetodi eelised, millest üks on kasutatavate seadmete ja protsessi enda lihtsus. Tahketest allikatest pärit difusioonimeetodi põhiolemus on ühe või mitme elemendiga legeeritud kilede sadestamine pooljuhtidele. Lisaks tahke allika meetodile on difusiooni läbiviimiseks veel mitmeid meetodeid:

• suletud mahus (ampulli meetod). Meetodi eeliseks on minimaalne toksilisus, kuid selle kõrge hind, mis tuleneb ampulli ühekordseks kasutamiseks, on oluline puudus;
• avatud mahus (termiline difusioon). Paljude elementide kasutamise võimalus on kõrgete temperatuuride tõttu välistatud, samuti on selle meetodi suurteks puudusteks külgdifusioon;
• osaliselt suletud mahus (kastimeetod). See on vahepealne meetod kahe ülalkirjeldatud vahel.

Selleks, et rohkem teada saada difusiooni meetodite ja iseärasuste kohta, on vaja uurida täiendavat spetsiaalselt nendele küsimustele pühendatud kirjandust.