Кіріспе

Біз тек газдардың қасиеттерін қарастырдық және қатты заттаржәне сұйықтықтардың қасиеттерін талқылаған жоқ. Сұйық күйді газ және қатты күйлермен салыстырғанда теориялық тұрғыдан түсіндіру қиынырақ. Бұл жеткілікті төмен (немесе жоғары) температурада және жеткілікті жоғары (немесе төмен) қысымда кез келген зат үшін күйлердің (қатты және газ) шекті болуымен анықталады.

Сұйық күй аралық сипатта болады. Әрине, критикалық нүктеге жақын сұйықтық қасиеттері бойынша газға, ал балқу температурасына жақын температурада - қатты денеге жақын.

Бұл жағдай сұйықтықтың «идеалды моделінің» болмауына әкеледі. Газ үшін бұл идеал газ, қатты дене үшін идеалды кристал. Нақты газдар теориясы да, қатты денелер теориясы да идеалды күйлерден ауытқуларды сипаттау ретінде құрастырылған. Идеал сұйықтық моделінің болмауы тұжырымдаудағы қиындықтарға әкеледі жалпы теориясұйықтықтар.

Мұндай теория сұйықтықтың тепе-теңдік термодинамикалық қасиеттерін, оның энтальпиясын, энтропиясын, күй теңдеуін, қату температурасын, беттік керілуін және т.б. Әрі қарай, теория тасымалдау құбылыстарын сипаттауы керек - тұтқырлық, диффузия, жылу өткізгіштік. Ақырында, мұндай теория әртүрлі сәулелердің сұйықтықтармен және ең алдымен рентгендік сәулелердің шашырауы құбылыстарын қамтуы керек. IN соңғы жылдарСұйықтар теориясы бірқатар маңызды жетістіктерге жетті.

Сұйықтықтағы мәжбүрлі ішкі қозғалыс.

Егер сұйықтыққа t >> ?ср уақыт ішінде сыртқы күш әсер етсе, онда сұйықтың бөлшектері негізінен осы күш бағытына қарай ығысады. Бұл сұйықтықтың өтімділігін көрсетеді.

Егер сыртқы күштің әсер ету уақыты t орташа релаксация уақытынан әлдеқайда аз болса (t<< ?ср), то за время действия силы частицы не успевают изменить свои положения равновесия и жидкость проявляет упругие свойства, сопротивляясь изменению объема и формы.

Белгілі бір жағдайларда сұйықтарда тасымалдау құбылыстары пайда болады: диффузия, жылу өткізгіштік және ішкі үйкеліс. Сұйықтардағы тасымалдану құбылыстары мен газдардағы ұқсас құбылыстар арасындағы айырмашылықтар тасымалдау коэффициенттерінің мәндерінде көрінеді.

Диффузия

ДИФФУЗИЦИЯ (латын тілінен diffusio – таралу, таралу, таралу), заттың ауысуына және концентрациялардың теңестірілуіне немесе олардың тепе-теңдік таралуын орнатуға әкелетін орта бөлшектерінің қозғалысы. Әдетте, диффузия бөлшектердің жылулық қозғалысымен анықталады. Сыртқы әсерлер болмаған жағдайда диффузиялық ағын концентрация градиентіне пропорционал; пропорционалдық коэффициенті диффузия коэффициенті деп аталады. Диффузия процесі температура айырмашылығының (жылулық диффузия), электр өрісінің (электродиффузия) әсерінен, турбулентті ағында (турбулентті диффузия) және т.б. болуы мүмкін.

Газда немесе сұйықтықта ілінген ірі бөлшектердің (мысалы, түтін бөлшектері немесе суспензиялар) диффузиясы олардың броундық қозғалысына байланысты болады. Келесіде, егер арнайы айтылмаса, молекулалық диффузия түсіндіріледі.

Диффузия газдарда тез, сұйықтарда баяу, ал қатты денелерде одан да баяу жүреді, бұл осы орталардағы бөлшектердің жылулық қозғалысының сипатына байланысты. Әрбір газ бөлшектерінің траекториясы сынық сызық болып табылады, өйткені Соқтығыс кезінде бөлшектер қозғалысының бағыты мен жылдамдығын өзгертеді. Қозғалыстың бұзылуы әрбір бөлшектің бірте-бірте тұрған жерінен алыстап кетуіне және оның түзу сызық бойымен орын ауыстыруының сынық сызық бойымен жүріп өткен жолға қарағанда әлдеқайда аз болуына әкеледі. Сондықтан диффузиялық ену еркін қозғалысқа қарағанда әлдеқайда баяу (иістердің диффузия жылдамдығы, мысалы, молекулалардың жылдамдығынан әлдеқайда аз).

Сұйықтағы диффузия құбылысы үшін Фик заңы жарамды. Онда былай делінген:

мұндағы I - X осінің бағыты бойынша диффузия ағыны, D - диффузия коэффициенті және X осі бойындағы концентрация градиенті.

Молекулалардың секірулері арасындағы уақытты t деп белгілейік, онда шама молекуланың жылдамдығы болады. Бұл орташа еркін жолмен және - молекулалардың орташа жылдамдығымен салыстыруға мүмкіндік береді. Сонда идеал газдарға ұқсастық бойынша сұйықтықтың диффузиялық коэффициенті (дәлірек айтқанда, өздігінен диффузия) мынаған тең болады:

Өздігінен диффузия коэффициенті температураға қатты тәуелді, яғни. ол температураның жоғарылауымен жоғарылайды.

Диффузия коэффициентінің өрнегін келесідей қайта жазуға болады

Мұндағы n – жоғарыда сипатталған тербелістердің жиілігі, ал w – молекуланың секіруіне қажетті энергия, молекуланың активтену энергиясы деп аталады.

Сұйықтар үшін диффузия коэффициентінің сандық мәні газдарға қарағанда әлдеқайда аз. Мысалы, NaCl судағы диффузия коэффициенті 1,1·10-9 м2/с болса, аргонның гелийге диффузиясы үшін 7·10-5 м2/с болады.

Сұйықтарда молекулалардың жылулық қозғалысының табиғатына сәйкес диффузия молекулалардың бір уақытша тепе-теңдік күйінен екіншісіне секіруімен жүзеге асады. Әрбір секіру молекулаға көрші молекулалармен байланысын үзіп, басқа молекулалардың ортасына (жаңа энергетикалық қолайлы жағдайға) өту үшін жеткілікті энергия берілгенде орын алады. Орташа алғанда, секіру молекулааралық қашықтықтан аспайды. Сұйықтықтағы бөлшектердің диффузиялық қозғалысын үйкеліспен қозғалыс ретінде қарастыруға болады, оған Эйнштейннің екінші қатынасы қолданылады: D ~ ukT. Мұндағы k – Больцман тұрақтысы, u – диффузиялық бөлшектердің қозғалғыштығы, яғни. үйкеліспен қозғалмайтын қозғалыс кезінде бөлшектердің жылдамдығы c және қозғаушы күш F арасындағы пропорционалдық коэффициенті (c = uF). Егер бөлшектер сфералық симметриялы болса, онда u = 1/6 phr, мұндағы h - сұйықтықтың тұтқырлық коэффициенті, r - бөлшектің радиусы (Стокс заңын қараңыз).

Сұйықтықтағы диффузия коэффициенті температураға қарай артады, бұл қыздыру кезінде сұйықтық құрылымының «қопсылуына» және уақыт бірлігіндегі секірулер санының сәйкес өсуіне байланысты.

Қатты денеде бірнеше диффузиялық механизмдер жұмыс істей алады: атомдар орындарының бос орындармен алмасуы (кристалдық тордың бос орындары), атомдардың аралықтардың бойымен қозғалуы, бірнеше атомдардың бір мезгілде циклдік қозғалысы, көршілес екі атомның орындарының тікелей алмасуы және т.б. Бірінші механизм, мысалы, орынбасушы қатты ерітінділердің түзілуінде басым болса, екіншісі – интерстициалды қатты ерітінділер.

Қатты денелердегі диффузия коэффициенті қыздыру, кернеу, деформация және басқа әсерлер кезінде пайда болатын кристалдық тор ақауларына өте сезімтал. Ақаулар санының артуы (негізінен бос орындар) қатты денедегі атомдардың қозғалысын жеңілдетеді және диффузия коэффициентінің жоғарылауына әкеледі. Қатты денелердегі диффузия коэффициенті температураға күрт (көрсеткіштік) тәуелділікпен сипатталады. Сонымен, мырыштың мысға диффузия коэффициенті температура 20-дан 300°С-қа дейін көтерілгенде 10 14 есе артады.

Диффузия коэффициентінің мәні (атмосфералық қысымда)

Көптеген ғылыми және практикалық мәселелер үшін маңыздысы жеке бөлшектердің диффузиялық қозғалысы емес, нәтижесінде бастапқы біртекті емес ортадағы зат концентрациясын теңестіру болып табылады. Жоғары концентрациялы аймақтар төмен концентрациялы аймақтарға қарағанда көбірек бөлшектерді шығарады. Гетерогенді ортадағы бір аймақ арқылы заттың қайтымсыз ағыны уақыт бірлігінде төменгі концентрацияға – j диффузиялық ағынға қарай өтеді. Ол аумақты бір бағытта және екінші бағытта кесіп өтетін бөлшектер санының айырмашылығына тең, сондықтан CC концентрация градиентіне пропорционал (ұзындық бірлігіне С концентрациясының төмендеуі). Бұл тәуелділікті Фик заңы (1855) көрсетеді:

Халықаралық бірліктер жүйесіндегі j ағынының өлшем бірліктері 1/м 2 ·сек немесе кг/м 2 ·сек, концентрация градиентінің өлшем бірліктері 1/м 4 немесе кг/м 4, олардан диффузия коэффициентінің бірлігі алынады. м 2 /сек құрайды. Математикалық тұрғыдан Фик заңы Фурьенің жылу теңдеуіне ұқсас. Бұл құбылыстар молекулалық тасымалдаудың бір механизміне негізделген: 1-ші жағдайда масса алмасу, 2-ші жағдайда энергия алмасу.

Диффузия ортада концентрация градиенті (немесе химиялық потенциал) болғанда ғана болмайды. Сыртқы электр өрісінің әсерінен зарядталған бөлшектердің диффузиясы (электродиффузия), гравитация немесе қысым өрісінің әрекеті бародиффузияны тудырады, ал жылу диффузиясы біркелкі емес қыздырылған ортада жүреді.

Диффузия коэффициентін анықтаудың барлық тәжірибелік әдістері екі негізгі нүктеден тұрады: диффузиялық заттарды жанасу және диффузия арқылы өзгерген заттардың құрамын талдау (диффузияланған заттың концентрациясы) химиялық, оптикалық (сыну көрсеткішінің өзгеруімен); немесе жарық жұту), массалық спектроскопиялық, таңбаланған атомдар әдісімен және т.б.

Диффузия химиялық кинетика мен технологияда маңызды рөл атқарады. Катализатордың бетінде немесе әрекеттесуші заттардың біреуінде (мысалы, көмірдің жануы) химиялық реакция болған кезде диффузия басқа реагенттердің берілу жылдамдығын және реакция өнімдерінің жойылуын анықтай алады, яғни. анықтаушы (шектеу) процесс болады.

Булану және конденсация, кристалды еру және кристалдану үшін әдетте анықтаушы фактор болып табылады. Изотоптарды бөлу үшін газдардың кеуекті қалқалар арқылы немесе бу ағынына диффузия процесі қолданылады. Көптеген технологиялық процестердің негізінде диффузия жатыр – адсорбция, цементтеу және т.б. (диффузия процестерін қараңыз); Диффузиялық дәнекерлеу және диффузиялық металдандыру кеңінен қолданылады.

Сұйық ерітінділерде еріткіш молекулаларының жартылай өткізгіш қалқалар (мембраналар) арқылы диффузиясы осмостық қысымның пайда болуына әкеледі (Осмосты қараңыз), ол заттарды бөлудің физика-химиялық әдісі – диализде қолданылады.

Биологиялық жүйелердегі диффузия. Диффузия жануарлар мен өсімдіктердің жасушалары мен ұлпаларының өмірлік процестерінде маңызды рөл атқарады (мысалы, оттегінің өкпеден қанға және қаннан тіндерге диффузиясы, ішектен ас қорыту өнімдерін сіңіру, сіңіру. түбір түктерінің жасушаларының минералды қоректену элементтері, жүйке және бұлшықет жасушаларының биоэлектрлік импульстарды генерациялау кезінде иондардың диффузиясы). Жасуша мембраналары арқылы иондардың диффузиясының әртүрлі жылдамдығы организм жасушаларында элементтердің таңдамалы жинақталуына әсер ететін физикалық факторлардың бірі болып табылады. Еріген заттың жасушаға енуін Фик заңымен өрнектеуге болады, бұл ретте диффузия коэффициентінің мәні мембраналық өткізгіштік коэффициентімен, ал концентрация градиенті екі жағындағы зат концентрацияларының айырмашылығымен ауыстырылады. мембрана. Газдар мен судың жасушаға диффузиялық енуі (Осмосты қараңыз) Фик заңымен де сипатталады; бұл жағдайда концентрациялар айырмасының мәндері ұяшық ішіндегі және сыртындағы газ қысымының және осмостық қысымның айырмашылығының мәндерімен ауыстырылады.

Қарапайым диффузияның айырмашылығы бар – молекулалар мен иондардың химиялық (электрохимиялық) потенциалының градиентінің бағыты бойынша еркін қозғалысы (бұл жолмен тек молекулалық өлшемдері шағын заттар, мысалы, су, метил спирті қозғала алады); шектеулі диффузия, жасуша мембранасы зарядталған кезде және зарядталған бөлшектердің тіпті шағын өлшемдегі диффузиясы шектелген кезде (мысалы, аниондардың жасушаға әлсіз енуі); жеңілдетілген диффузия – дербес енбейтін немесе мембранаға өте әлсіз енетін молекулалар мен иондардың басқа молекулалармен («тасымалдаушылар») тасымалдануы; Қант пен аминқышқылдары жасушаға осылай енеді. Тасымалдаушы да, тасымалдаушы-зат кешені де мембрана арқылы диффузиялануы мүмкін. Тасымалдаушының концентрация градиенті арқылы анықталатын заттың өтуі алмасу диффузиясы деп аталады; мұндай диффузия изотопты іздегіштермен жүргізілген тәжірибелерде анық көрінеді. Жасушадағы және оны қоршаған ортадағы заттардың әртүрлі концентрациясын олардың бар электрохимиялық және осмостық градиенттерге байланысты мембраналар арқылы диффузиясымен ғана түсіндіруге болмайды. Иондардың таралуына сонымен қатар заттардың электрохимиялық градиентіне қарсы энергияны тұтынумен қайта бөлінуін тудыруы мүмкін процестер әсер етеді - белсенді ион тасымалдау деп аталатын.

Осмос – судың екі ерітіндіні бір-бірінен төмен концентрациядан жоғарырақ ерітіндіге бөлетін жартылай өткізгіш мембрана арқылы диффузиясы.[...]

Үшінші кезеңнің басында судың диффузиясы әдетте көп қиындықсыз жүреді. Дегенмен, ағаш құрғаған сайын, диффузия жылдамдығы соншалықты төмендейді, ағаштың бетінде құрғақ қабат пайда болады. Осылайша, үшінші кезеңде кептіру жылдамдығы тәуелді болатын негізгі шарт - кептірілген ағаш ішіндегі судың диффузиясы. Диффузияның мәнімен салыстырғанда, газ пленкасының кешіктіргіш рөлі енді елеусіз болады. Сол сияқты, салқындатқыштың жылдамдығы мен су буының парциалды қысымы процеске аз ғана әсер етеді.[...]

Аурудың табиғаты. Ауру ағзадан ішек жолына судың диффузиясын қамтиды. Бұл диффузиялық судың мөлшері өте үлкен (шамамен 30 л/тәу), сондықтан ол құсу және бос нәжіс түрінде үздіксіз шығарылады. Нәтижесінде дененің сусыздануы орын алады, тотығу процестерінің қарқындылығы тез төмендейді, тіндер толық емес жану өнімдерімен және көмірқышқыл газымен қаныққан. Инкубациялық кезең шамамен үш күнді құрайды.[...]

Осмостық қысым - судың мембрана арқылы диффузиясынан туындайтын қысым (ерітіндінің төмен концентрациясынан жоғары концентрацияға дейін).[...]

Жылжымалы мономерлі су молекулаларының салыстырмалы санының және сутегі иондарына қатысты гидроксил иондарының белсенділігінің артуы, шамасы, судың диффузиясының жеделдеуін тудырады, бұл өсімдік және жануарлар организмдерінің тіршілігі үшін үлкен маңызы бар осмос процестеріне әсер етеді. [...]

Басқа еңбектерде зерттеушілер катионалмастырғыштағы сульфотоп анионы үш су молекуласын байланыстырады деген қорытындыға келді. Шамасы, нәтижелердің айырмашылығы көбінесе ионалмастырғыш шайырдағы иондалған топтардың гидратация мөлшерін бағалау әдістерінің айырмашылығына байланысты. Қалай болғанда да, Н+ түріндегі сульфонды катионалмастырғыштар тұз түрлеріне қарағанда күштірек ісінетіні, ал Н түрінде іс жүзінде иондалмаған әлсіз қышқылдық катионалмастырғыштар негізінен тұз түрінде ісінетіні әбден нақты анықталған. Дәл осы себепті әлсіз негіздік анионалмастырғыштар тұз түрінде де ОН түріндегіге қарағанда әлдеқайда күштірек ісінеді. Сұйылтылған ерітінділердегі сыртқы ерітіндімен ионалмастырғыш дәндерінің осмостық тепе-теңдігін орнату кезінде электролиттердің су диффузиясына иондық емес ауысуы суды тұзсыздандыру немесе ионалмастырғыш сүзгілерді регенерациялау кезінде ион алмастырғыш шайырлардың әрекетіне айтарлықтай әсер етпейді. Регенерациялық ерітінділердегі қышқылдар мен сілтілер концентрациясының жоғарылауымен электролиттердің ион алмасусыз тасымалдануы соншалықты маңызды болып шығады, оны елемеуге болмайды [...].

Кейбір гидраттарда тек қана сақина немесе тек қана бұзылумен байланысты емес бос диффузия механизмі болатыны белгілі. Бұл жағдайларда диффузия, әдетте, жоғары температурада ғана байқалады. Бұл кристалда су молекулалары мұздың құрылымынан ойылғандай алты зигзаг сақиналарында орналасқан. Барлық сақиналардың осьтері бір-біріне параллель, ал H-II бағыттары сақиналардың осьтерімен 47° бұрыш жасайды. Осы жерден дипольдік әсерлесуді орташалау ережелері бойынша осы әрекеттесудің орташаланған тұрақтысын табуға болады – 9 кГц. Өлшемдер дНоптазада диффузия тек +120°С жоғары температурада байқалатынын, ал сипаттамалық жиілігі дәл 9 кГц болатынын көрсетті. Апофиллит үшін - басқа гидратталған силикат - диффузия 170 ° C-та басталады; есептеу және тәжірибе -6,5 кГц жиілігімен бірдей мәндерді береді. Патролитте +150°С температурада судың диффузиясы диполь-диполь әрекеттесуін күтілетін мәнге толық сәйкес нөлге дейін жеткізеді, өйткені бұл кристалда H-H векторлары мен симметрия осі арасындағы бұрыш сиқырлыға тең дерлік. .[...]

Шампье мен Бонне мақтаның қышқылдың селективті сіңуі бар екенін дәлелдеді. Қазбекар мен Ніл қышқыл ерітінділерінде ісінген кезде судың қабықшаға қышқылмен салыстырғанда тезірек таралуына байланысты целлофанның судың таңдамалы сіңуін ашты. Су мен қышқылдың селективті сіңірілуін егжей-тегжейлі зерттеу жүргізілген жоқ.[...]

Мембрана (латын тілінен membrana - мембрана) - әдетте контур бойымен бекітілген жұқа қабық немесе пластина; осмос (грек тілінен osmos – итеру, қысым) – ерітіндіні таза судан немесе концентрациясы төмен ерітіндіден бөлетін жартылай өткізгіш қалқа (мембран) арқылы судың бір жақты диффузиясы; ультрафильтрация (латын тілінен ультра - жоғары, одан тыс) - 0,1 - 0,8 МПа қысыммен арнайы құрылғыларда жартылай өткізгіш мембраналар арқылы ерітінділер мен коллоидтық жүйелерді бөлу [...]

200-250 К жоғары температурада кең кеуекті цеолиттердің ЯМР спектрлері күрт тарылып (жүздеген рет) және кристалдарда диффузиялық суға тән құрылымға ие болады. Бұл жағдайда екі факті маңызды. Біріншіден, тарылған спектрдің ені сусыздандыру температурасына дейін тұрақты болып қалады (200-300 ° C немесе одан да көп). Бұл барлық температурада молекуланың кристалдық гидраттардағыдай кристалдық құрылыммен қатаң белгіленген диффузиялық жол бойымен қозғалатынын білдіреді. Екіншіден, төмен температураның қозғалғыштығына қарамастан, өте жоғары сусыздандыру температурасы сақталады. Бұл қасиет цеолиттерді кристалды гидраттардан күрт ажыратады, оларда сусыздану немесе балқу 100°С-тан айтарлықтай жоғары температурада сирек кездеседі. Цеолиттердің жоғары температурадағы гидратталған күйінің табиғаты цеолит суының «екі фазалы» құрылымы ашылғаннан кейін ғана белгілі болды. Су молекулаларының цеолиттік каналдардағы диффузиясы бұл молекулалардың кейбірінің цеолиттік арналарда қатты байланыста болуына кедергі келтірмейтіні белгілі болды. Мысалы, морденитте ЯМР спектрінің диффузиялық тарылуының -100°С-та басталғанына қарамастан, тіпті +100°С-та да қатты байланысқан судың шамамен 10%-ы қалады (толық дегидратация тек 450°С-та жүреді). Бұл тығыз байланысқан молекулалар, тығындар сияқты, цеолит арнасын жауып, диффузиялық молекулалардың жолын жауып тастайды деп болжалды. Осы жерден каналдардың тұйық кеңістігіндегі цеолитті судың изохоралық моделін алға тарту заңды. Қыздыру арна ішіндегі қысымды арттырады, қысыммен бірге цеолит суының «балқу» температурасы да жоғарылайды. Жоғарыда айтылғандарға сәйкес гидратталған цеолиттердегі судың диффузиясын изохоралық (тұйық көлемде) балқу деп санауға болады. Сондай-ақ, «тығындардың» арна көлемін жабудағы тиімділігі олардың цеолиттік арналардың белгілі бір аймақтарында күшті су-су байланыстарының болуынан туындайтын ұжымдық қасиеттерімен байланысты екені анық.[...]

Тәжірибемен салыстыру бұл үміттерді растайды және растамайды. Бірақ қандай да бір себептермен кальцийдің, стронцийдің және барийдің хлоридтері мен бромидтерінің гидраттары үлгіден шығып кетеді, онда бәріне қарамастан, судың диффузиясы ерігенше анықталмайды.[...]

Улы және қымбат қорғасын мен хром негізіндегі пигменттерді ауыстыру үшін коррозияға қарсы пигменттермен бірге праймерлерде кальций мен мырыш ферриттерін пайдалану мүмкіндігі зерттелді. Құрамында кальций мен мырыш ферриттері бар праймерлер темір оксиді бар пигментті жабындарға қарағанда су мен оттегінің диффузиясына үлкен кедергі жасайды. Алкидті бояуларда кальций ферриті тиімдірек. Праймерлердегі инертті пигмент пен кальций ферриті арасындағы қатынас 60:40 құрайды. Хлорлы резеңке бояуларда мырыш ферриті тиімдірек, ал инертті пигмент пен мырыш ферритінің арақатынасы 80:20-70:30 құрайды. Кальций мен мырыш ферриттерінің қорғаныс әсері классикалық коррозияға қарсы пигменттерге қарағанда әлсіз екені атап өтілген.[...]

Басқа теория тірі ағзалардың улану механизмін жақсырақ түсіндіреді, оған сәйкес улану сынап пен мыс иондарының тыныс алу немесе ас қорыту органдарына түсуі нәтижесінде пайда болады, нәтижесінде осы органдардың ақуызы коагуляцияланады және организм өледі. Бұл теория бойынша сынап оксиді мен мез оксидінің қорғаныш әсері былай түсіндіріледі. Теңіз суының бояу қабықшасына диффузиялануына байланысты сынап оксиді мен мыс оксиді теңіз суының құрамындағы NaCl әсеріне ұшырайды. Осы әсердің нәтижесінде жоғарыда көрсетілгендей күрделі құрамы 6MaCl13HCHCuCl2 тұзы түзіледі. Құрамында сынап пен мыс иондары бар бұл тұздың ерітіндісі судың диффузиясына қарама-қарсы бағытта баяу диффузияланып, кемеге жақын жерде теңіз фаунасының өкілдері үшін улы аймақ жасайды , суда және мыс құрамында сынап иондары аз болса да. Сынап оксиді мен мыс оксидінің әсер ету механизмі арқылы сынап пен мыс иондарымен уланған аймаққа енетін барлық қарапайым жануарлар организмдері өледі және тек жеке үлгілер кездейсоқ кемеге жақындай алады. Үздіксіз ластану сынап пен мыстағы бояудың сыртқы қабаты айтарлықтай таусылғаннан кейін ғана басталуы мүмкін. Тәжірибеде ыдысты ластау процесінің осындай барысы байқалады - ластану моллюскалардың жеке үлгілерінің шөгуінен басталады және әдеттегі бояуды қолданғаннан әлдеқайда аз қарқынды үздіксіз ластану бояумен салыстырғанда әлдеқайда кеш басталады. кәдімгі майлы бояуы бар ыдыс.

Сұйықтық агрегацияның аралық күйі екендігінен бастайық. Критикалық қайнау нүктесінде ол газдарға ұқсас, ал төмен температурада қатты денеге ұқсас сипаттамалар көрсетеді. Сұйықтың идеалды моделі жоқ, бұл оның тепе-теңдік термодинамикалық қасиеттерін, қату температурасын, тұтқырлығын, диффузиясын, жылу өткізгіштігін, беттік керілуін, энтропиясын және энтальпиясын сипаттауды айтарлықтай қиындатады.

Анықтама

Диффузия дегеніміз не? Бұл заттардың тасымалдануына және тепе-теңдік концентрацияларының орнатылуына әкелетін орта бөлшектерінің таралуы, таралуы, қозғалысы. Сыртқы әсерлер болмаған жағдайда бұл процесс бөлшектердің жылулық қозғалысымен анықталады. Бұл жағдайда диффузия процесі концентрацияға тура пропорционалды қатынаста байланысты. Диффузия ағыны да осылай өзгереді

Сорттары

Егер сұйықтықтағы диффузия температуралар өзгергенде пайда болса, оны электр өрісінде жылулық диффузия, электродиффузия деп атайды.

Сұйықтағы немесе газдағы ірі бөлшектердің қозғалу процесі броундық қозғалыс заңдары бойынша жүреді.

Курстың ерекшеліктері

Газдардағы, сұйықтардағы және қатты заттардағы диффузия әртүрлі жылдамдықпен жүреді. Әртүрлі орталардағы бөлшектердің жылулық қозғалысының сипатының айырмашылығына байланысты процесс газдарда максималды жылдамдыққа, ал қатты заттарда минималды жылдамдыққа ие болады.

Бөлшектердің траекториясы үзік сызық болып табылады, өйткені бағыты мен жылдамдығы периодты түрде өзгереді. Қозғалыстың бұзылуына байланысты бөлшектің бастапқы орнынан біртіндеп жойылуы байқалады. Оның түзу сызық бойымен орын ауыстыруы үзілген траектория бойынша жүріп өткен жолдан әлдеқайда қысқа.

Фик заңы

Сұйықтықтағы диффузия екі Фик заңына бағынады:

• диффузия ағынының тығыздығы диффузия коэффициенті бар концентрацияға тура пропорционал;
• диффузия ағынының тығыздығының өзгеру жылдамдығы концентрацияның өзгеру жылдамдығына тура пропорционал және қарама-қарсы бағытта болады.

Сұйықтықтағы диффузия молекулалардың бір тепе-теңдік күйден екіншісіне секіруімен сипатталады. Әрбір мұндай секіру басқа бөлшектермен байланысты үзу үшін жеткілікті көлемде молекулаға энергия берілгенде байқалады. секіру молекулалар арасындағы қашықтықтан аспайды.

Сұйықтықтағы диффузия деген не екенін талқылағанда, процестің температураға байланысты екенін ескереміз. Ол ұлғайған кезде сұйықтықтың құрылымы «босайды», нәтижесінде уақыт бірлігіндегі секірулер саны күрт артады.

Газдардағы, сұйықтардағы және қатты денелердегі диффузияның өзіндік ерекшеліктері бар. Мысалы, қатты денелерде механизм кристалдық тор ішіндегі атомдардың қозғалысымен байланысты.

Құбылыстың ерекшеліктері

Сұйықтықтағы диффузия бастапқыда біртекті емес ортадағы зат концентрациясының теңестірілуімен қатар жүретіндіктен практикалық қызығушылық тудырады. Концентрациясы жоғары жерлерден айтарлықтай көп бөлшектер жойылады.

Эксперименттер

Сұйықтармен жүргізілген тәжірибелер диффузияның химиялық кинетикада ерекше маңызы бар екенін көрсетті. Реактивтер немесе катализатор бетінде ағып жатқанда, бұл процесс реакция өнімдерінің жойылу жылдамдығын және бастапқы реагенттерді қосуды анықтауға көмектеседі.

Сұйықтардағы диффузияны не түсіндіреді? Еріткіш молекулалары мөлдір қабықшалардан өте алады, нәтижесінде осмостық қысым пайда болады. Бұл құбылыс заттарды бөлудің химиялық және физикалық әдістерінде қолданылуын тапты.

Биологиялық жүйелер

Бұл жағдайда ауа оттегінің өкпеге түсуі, ішектен ас қорыту өнімдерінің қанға сіңуі және минералды элементтердің тамыр түктері арқылы сіңірілуі мысалында диффузиялық модельдерді қарастыруға болады. Иондардың диффузиясы бұлшықет және жүйке жасушаларының биоэлектрлік импульстарды генерациялау кезінде жүреді.

Организм жасушаларында белгілі бір элементтердің жинақталуының селективтілігіне әсер ететін физикалық фактор иондардың жасуша мембраналары арқылы өту жылдамдығының әртүрлі болуы болып табылады. Бұл процесті диффузия коэффициентін мембрананың өткізгіштігінің индикаторымен алмастыру арқылы, ал концентрация градиентінің орнына мембрананың екі жағындағы мәндер айырмашылығын пайдалану арқылы Фик заңы арқылы көрсетуге болады. Судың және газдардың жасушаға диффузиялық енуімен жасушаның сыртындағы және ішіндегі осмостық қысым көрсеткіштері өзгереді.

Диффузияның неге байланысты екенін талдай отырып, бұл процестің бірнеше түрі бар екенін атап өтеміз. Қарапайым түрі иондар мен молекулалардың электрохимиялық потенциалының градиентіне қарай еркін ауысуымен байланысты. Мысалы, бұл опция молекулалары аз мөлшерде, мысалы, метил спирті, су сияқты заттарға жарамды.

Шектеулі нұсқа заттың әлсіз тасымалдануын болжайды. Мысалы, тіпті кішкентай бөлшектердің өзі жасушаға өте алмайды.

Тарих беттері

Диффузия ежелгі грек мәдениетінің гүлдену кезеңінде ашылды. Демокрит пен Анаксогор кез келген зат атомдардан тұратынына сенімді болды. Олар табиғатта кездесетін заттардың алуан түрлілігін жеке атомдар арасындағы байланыс арқылы түсіндірді. Олар бұл бөлшектер араласып, жаңа заттар түзе алады деп есептеді. Диффузия механизмін түсіндіретін молекулалық-кинетикалық теорияның негізін салушылар арасында Михаил Ломоносов ерекше рөл атқарды. Олар молекуланы, атомды анықтап, еру механизмін түсіндірді.

Эксперименттер

Қантпен жасалған тәжірибе диффузияның барлық ерекшеліктерін түсінуге мүмкіндік береді. Мұзды шайға бір кесек қант құйсаңыз, кесе түбінде бірте-бірте қою сироп пайда болады. Бұл жай көзге көрінеді. Біраз уақыттан кейін сироп сұйықтықтың бүкіл көлеміне біркелкі таралады және енді көрінбейді. Бұл процесс өздігінен жүреді және ерітіндінің құрамдас бөліктерін араластырмайды. Дәл солай, хош иістің хош иісі бүкіл бөлмеге таралады.

Жоғарыда келтірілген тәжірибелер диффузияның бір заттың молекулаларының екінші затқа енуінің өздігінен жүретін процесі екенін көрсетеді. Зат ауырлық күшінің болуына қарамастан барлық бағытта таралады. Мұндай процесс зат молекулаларының тұрақты қозғалысын тікелей растау болып табылады.

Осылайша, жоғарыда келтірілген мысалда қант пен су молекулаларының диффузиясы жүреді, бұл сұйықтықтың бүкіл көлеміне органикалық заттардың молекулаларының біркелкі таралуымен бірге жүреді.

Тәжірибелер диффузияны тек сұйықтарда ғана емес, газ тәрізді заттарда да анықтауға мүмкіндік береді. Мысалы, таразыға эфир буы бар ыдысты орнатуға болады. Біртіндеп шыныаяқтар тепе-теңдікке келеді, содан кейін эфирі бар стақан ауыр болады. Бұл құбылыстың себебі неде?

Уақыт өте келе эфир молекулалары ауа бөлшектерімен араласып, бөлмеде ерекше иіс сезіле бастайды. Орта мектептің физика курсында мұғалім судың дәнін суда ерітетін эксперимент қарастырылады. Алдымен астықтың қозғалысының айқын траекториясы көрінеді, бірақ бірте-бірте бүкіл ерітінді біркелкі реңкке ие болады. Эксперимент негізінде мұғалім диффузияның ерекшеліктерін түсіндіреді.

Сұйықтардағы процестің жылдамдығына әсер ететін факторларды анықтау үшін әртүрлі температурадағы суды пайдалануға болады. Ыстық сұйықтықта молекулалардың өзара араласу процесі әлдеқайда жылдам байқалады, сондықтан температура мәні мен диффузия жылдамдығы арасында тікелей байланыс бар;

Қорытынды

Газдар мен сұйықтармен жүргізілген тәжірибелер физика заңдарын тұжырымдауға және жеке шамалар арасындағы байланысты орнатуға мүмкіндік береді.

Дәл тәжірибелер нәтижесінде бір заттың бөлшектерінің екінші затқа өзара ену механизмі анықталып, олардың қозғалысының ретсіз сипаты дәлелденді. Диффузияның газ тәрізді заттарда тез жүретіні тәжірибе жүзінде анықталды. Бұл процесс жабайы табиғат үшін үлкен маңызға ие және ғылым мен техникада қолданылады.

Осы құбылыстың арқасында жер атмосферасының біртекті құрамы сақталады. Әйтпесе, тропосфера бөлек газ тәрізді заттарға стратификацияланып, тыныс алуға жарамсыз ауыр көмірқышқыл газы планетамыздың бетіне ең жақын орналасар еді. Бұл не әкеледі? Жабайы табиғат өмір сүруді тоқтатады.

Өсімдіктер әлемінде де диффузияның рөлі зор. Ағаштардың жапырақ бетін диффузиялық алмасумен түсіндіруге болады. Нәтижесінде тыныс алу ғана емес, ағаштың тамақтануы да пайда болады. Қазіргі уақытта ауыл шаруашылығында бұталар мен ағаштарды жапырақты азықтандыру қолданылады, бұл тәжді арнайы химиялық қосылыстармен бүркуді қамтиды.

Дәл диффузия арқылы өсімдік топырақтан қоректік заттарды алады. Тірі организмдерде болатын физиологиялық процестер де осы құбылыспен байланысты. Мысалы, диффузиясыз тұз балансы мүмкін емес. Мұндай процестер көлдер мен өзендерді оттегімен қамтамасыз етуде үлкен рөл атқарады. Газ қабаттың тереңдігіне диффузия арқылы дәл түседі. Егер мұндай процесс болмаса, су қоймасының ішіндегі тіршілік тоқтар еді.

Адамды әртүрлі аурулардың қоздырғыштарынан қорғауға және әл-ауқатын жақсартуға мүмкіндік беретін дәрі-дәрмектерді қабылдау да диффузияға негізделген. Бұл құбылыс металдарды дәнекерлеуде, қызылша чиптерінен қант шырынын алуда, кондитерлік өнімдерді дайындауда қолданылады. Қазіргі заманғы өнеркәсіптің диффузия қолданылмайтын саласын табу қиын.

Физика – ең қызықты, жұмбақ және сонымен бірге логикалық ғылымдардың бірі. Түсіндіруге болатынның бәрін, тіпті шайдың тәтті, сорпаның тұзды болуын да түсіндіреді. Нағыз физик басқаша айтар еді: сұйықтарда диффузия осылай жүреді.

Диффузия

Диффузия – бір заттың ең ұсақ бөлшектерінің екінші заттың молекулааралық кеңістігіне енуінің сиқырлы процесі. Айтпақшы, мұндай ену өзара.

Бұл сөздің латын тілінен қалай аударылғанын білесіз бе? Таралу, таралу.

Сұйықтықта диффузия қалай жүреді?

Кез келген заттардың әрекеттесуі кезінде диффузияны байқауға болады: сұйық, газ тәрізді және қатты.

Сұйықтықта диффузияның қалай болатынын білу үшін таза суы бар мөлдір ыдысқа бояудың, ұнтақталған қорғасынның немесе, мысалы, калий перманганатының бірнеше түйіршіктерін лақтыруға болады. Бұл ыдыс биік болса жақсы. Біз не көреміз? Алдымен кристалдар ауырлық күшінің әсерінен түбіне шөгеді, бірақ біраз уақыттан кейін олардың айналасында түрлі-түсті судың ореолы пайда болады, ол жайылып, таралады. Кем дегенде бірнеше апта бойы бұл ыдыстарға жақындамасақ, судың толығымен дерлік боялғанын байқаймыз.

Тағы бір айқын мысал. Қант немесе тұз тезірек еруі үшін оларды суда араластыру керек. Бірақ бұл жасалмаса, қант немесе тұз біраз уақыттан кейін өздігінен ериді: шай немесе компот тәтті болады, ал сорпа немесе тұзды ерітінді тұзды болады.

Сұйықтықта диффузия қалай жүреді: тәжірибе

Диффузия жылдамдығы заттың температурасына қалай тәуелді екенін анықтау үшін шағын, бірақ өте индикативті тәжірибе жүргізуге болады.

Бірдей көлемдегі екі стакан алыңыз: біреуі суық сумен, екіншісі ыстық сумен. Екі стаканға бірдей мөлшерде еритін ұнтақты (мысалы, кофе немесе какао) құйыңыз. Ыдыстардың бірінде ұнтақ қарқынды ери бастайды. Нақты қайсысын білесіз бе? Сіз болжай аласыз ба? Судың температурасы жоғарырақ жерде! Өйткені диффузия молекулалардың кездейсоқ ретсіз қозғалысы кезінде жүреді, ал жоғары температурада бұл қозғалыс әлдеқайда жылдам жүреді.

Кез келген затта диффузия болуы мүмкін, бұл құбылыстың пайда болу уақыты ғана ерекшеленеді; Ең жоғары жылдамдық газдарда. Сондықтан сары майды тоңазытқышта майдалап туралған сарымсақпен үгітілген майшабақ немесе шошқа майының жанында сақтауға болмайды. Содан кейін сұйықтықтар (ең төменнен ең жоғары тығыздыққа дейін) келеді. Ал ең баяу - қатты заттардың диффузиясы. Бір қарағанда, диффузия қатты денелерде болмайды.

Сабақтың мақсаттары:

Тәрбиелік: оқушылардың берілген тақырып бойынша білімдерін бекіту, әртүрлі агрегаттық күйдегі зат молекулаларының әрекетін түсінуге және сипаттауға үйрету, диффузия процесінің табиғаттағы және адам өміріндегі маңызын түсіндіру.

Тәрбиелік: оқушылардың ғылыми ойлау қабілетін дамыту.

Тәрбиелік: оқушылардың әртүрлі физикалық заңдылықтар туралы алған білімдерімен табиғатта кездесетін құбылыстарды салыстыра білуге ​​баулу.

Негізгі терминдер:

Заттың күйібелгілі бір қасиеттер жиынтығымен сипатталатын заттың күйі (мысалы, көлемін, пішінін сақтау немесе сақтау мүмкін еместігі және т.б.).

Диффузия

Заттың агрегаттық күйі туралы түсінік.

Бізді қоршаған әлем күрделі және өзгермелі. Сонымен бірге, біз әлемнің шексіз алуандығы соншалықты шексіз емес екенін байқаймыз. Біз әртүрлі күйде бірдей заттарды жиі көреміз.

Сөзімнің растығын дәлелдейтін ең қарапайым мысал – су. Оны әртүрлі күйлерде көру оңай - бұл бу немесе тұман, мұз немесе қар, ас үйдегі шүмектен ағып жатқан сұйықтық. Судың қандай да бір түрдегі сипаттамаларына қарамастан, ол әрқашан су болып қалады - оның құрамы өзгермейді. Бұл бірдей 2 сутегі молекуласы және 1 оттегі молекуласы.

Алған мысалды жалғастырсақ, судың бұл 3 күйі белгілі бір сыртқы жағдайларға байланысты екенін көреміз. Осылайша, су 0 градуста қатып, мұзға айналады, ал су 100 градуста қайнап, буға айналады. Бұл фото судың барлық 3 күйін анық көрсетеді:

Күріш. 1: 3 судың физикалық күйі

Олай болса, келтірген мысалды мұқият ойланып, қандай қорытынды жасауға болады? Олар келесідей болады:

Заттың агрегаттық күйі - белгілі бір жағдайларда белгілі бір қасиеттердің жиынтығымен (мысалы, көлемін, пішінін сақтау немесе сақтау мүмкін еместігі және т.б.) сипатталатын заттың күйі.

Су тек агрегацияның үш күйінде болуы мүмкін емес: қатты, сұйық және газ тәрізді. Бұл барлық заттарға тән.

Кейде жоғарыда аталған агрегацияның үш күйіне төртіншісі – плазма қосылады. Төмендегі суреттен плазманың қандай болатыны туралы түсінік алуға болады:

Күріш. 2: плазмалық шам

бірақ сіз орта мектепте физика және химия сабақтарында плазма туралы көбірек біле аласыз.

Диффузия процесі

Барлығымыз бұрыннан белгілі болғандай, барлық заттар үнемі қозғалыста болатын ұсақ бөлшектерден - иондардан, атомдардан, молекулалардан тұрады. Дәл осы қозғалыс диффузия процесінің пайда болуына себепші болады.

Диффузия - бұл басқа заттардағы молекулалар арасындағы кеңістіктерге заттардың молекулаларының өзара енуін қамтитын процесс.

Агрегацияның әртүрлі күйлеріндегі диффузияны толығырақ қарастырайық.

Газдардағы диффузия

Газдардағы диффузия процесіне бірге мысалдар келтірейік. Бұл құбылыстың көрінісінің нұсқалары келесідей болуы мүмкін:

Гүлдердің хош иісін тарату;

Пиязды кесу кезінде көз жасы;

Ауада сезілетін хош иістің ізі.

Ауадағы бөлшектер арасындағы саңылаулар айтарлықтай үлкен, бөлшектер ретсіз қозғалады, сондықтан газ тәрізді заттардың диффузиясы жеткілікті жылдам жүреді.

Бұл процесті көрсететін бейнені көрейік:

Сұйықтардағы диффузия.

Сұйықтардағы заттардың бөлшектері, және бұл көбінесе заттардың иондары, бір-бірімен өте күшті әрекеттеседі. Сонымен қатар иондар арасындағы қашықтық айтарлықтай үлкен, бұл бөлшектердің оңай араласуына мүмкіндік береді.

Келесі бейне суретте диффузия процесінің сұйықтықтарда қалай жүретіні көрсетілген. Судың бетіне түсетін бояу бөлшектері оңай таралады, яғни суға енеді.

Күріш. 3: Бояу бөлшектері суда таралады.

Сіз сол процесті байқай аласыз, бірақ динамикада калий перманганатының кристалдарының еру мысалын пайдаланып бейнеде:

Қатты денелердегі диффузия.

Қатты денелердің құрылымы әртүрлі болуы мүмкін және олар молекулалардан, атомдардан немесе иондардан тұрады. Кез келген жағдайда дененің қандай микробөлшектерден тұратынына қарамастан, бұл бөлшектердің бір-бірімен әрекеттесуі өте күшті. Олар, бұл бөлшектер, әлі де қозғалатынына қарамастан, бұл қозғалыстар өте елеусіз. Бөлшектер арасындағы бос орындар аз, бұл олардың арасына басқа заттардың өтуін қиындатады. Қатты денелердегі диффузия процесі өте баяу және жай көзге көрінбейді.

Бұл туралы бейнені көрейік:

Агрегацияның әртүрлі күйлеріндегі диффузиялық процестің ерекшеліктерін біліп, процестің бірдей жылдам еместігін көрдік. Диффузия жылдамдығы неге байланысты? Бұл сұраққа бізде қазірдің өзінде бір жауап бар - диффузия процесінің жылдамдығы заттың агрегаттық күйіне байланысты.

Температураның жоғарылауымен заттардың бөлшектері жылдамырақ қозғала бастайтынын сіз де, мен де білеміз. Бұл диффузия процесі температураның жоғарылауымен де жылдамдайтынын білдіре ме? Жауабы анық. Растау үшін бейнені көрейік:

Бір заттың екінші затқа диффузия қарқындылығы осы заттардың концентрациясына және сыртқы әсерлерге де байланысты (мысалы, суға жай ғана йод ерітіндісін тамызсаңыз және оны араластырсаңыз, ерітіндінің алу жылдамдығы біркелкі түс әртүрлі болады).

Қорытындылар

1. Заттың агрегаттық күйі - белгілі бір жағдайларда белгілі бір қасиеттердің жиынтығымен (мысалы, сақталуы немесе көлемін, пішінін және т.б. сақтай алмау) сипатталатын заттың күйі. Су тек агрегацияның үш күйінде болуы мүмкін емес: қатты, сұйық және газ тәрізді. Бұл барлық заттарға тән.

2. Диффузия - басқа заттардағы молекулалар арасындағы кеңістіктерге заттардың молекулаларының өзара енуінен тұратын процесс.

3. Диффузия жылдамдығы мыналарға байланысты: температураға, концентрацияға, сыртқы әсерлерге, заттың агрегаттық күйіне.

Адам өміріндегі диффузия процесін асыра бағалау қиын. Мысалы, альвеолалардың ең жұқа қабырғасы арқылы өкпенің капиллярларына оттегінің енуі диффузияға байланысты болады. Альвеолалардың қабырғалары физикалық тұрғыдан өте жұқа, альвеола қабырғасы жартылай өткізгіш мембрана болып табылады. Атмосфералық ауадағы оттегінің концентрациясы оның концентрациясы мен капиллярлық қаннан әлдеқайда жоғары, сондықтан оттегі жартылай өткізгіш мембрана арқылы өтеді - ол аз жерде. Диффузияның арқасында біз тыныс аламыз.

Бұл процесс сонымен қатар ас қорыту жүйесінен қоректік заттардың қанға енуін және көптеген дәрі-дәрмектердің әсерін ішінара қамтамасыз етеді.

Суретте адамның ішегінде қоректік заттардың қалай сіңетіні схемалық түрде көрсетілген.

Күріш. 4: сүтқоректілердің жіңішке ішегі

Анықтамалар

Тақырып бойынша сабақ: «Газдардағы, сұйықтардағы, қатты денелердегі диффузия», авторы Селезнева А.М., Киев облысы, Боярка қаласы, №7 қалалық білім беру мекемесі.

Перышкин А.В. «Физика 7 сынып», Мәскеу, Бустард, 2006 ж

Родина Н.А., Громов С.В., «Физика», М., Мир, 2002 ж.

Өңдеген және жіберген Борисенко И.Н..

Сабақта жұмыс істеді: