Диффузия жылдамдығын не анықтайды? Диффузия жылдамдығы

«Электрондық микроскопия. Мембраналық.» тақырыбының мазмұны:

Әсер ететін факторлар диффузия жылдамдығы, біріктірілген Фик заңы. Ол диффузия жылдамдығы келесі өрнекке пропорционал екенін айтады:

Сонымен, мембраналар арқылы қандай молекулалар өте алады диффузиялық есеп? Оттегі және көмірқышқыл газы сияқты газдар мембраналар арқылы тез таралады. Су молекулалары өте поляризацияланған болса да, гидрофобты фосфолипидті молекулалар арасында кедергісіз сырғып кету үшін жеткілікті кішкентай.

Сонымен қатар, иондар және үлкен полярлы гидрофобты аймақтары бар молекулалармембраналар итереді, сондықтан мембрана арқылы өте баяу. Олардың жасушаға енуі үшін басқа механизмдер қажет.

Кейбір иондар мен полярлы молекулалар жасуша ішіне кіреді арнайы тасымалдаушы ақуыздар. Бұлар арна ақуыздары және тасымалдаушы белоктар. Бұл белоктардың сумен толтырылған гидрофильді арналары немесе кеуектері белгілі бір ионға немесе молекулаға сәйкес келетін қатаң анықталған пішінге ие. Кейде арна бір белок молекуласының ішінде емес, бірнеше көрші молекулалардың арасында өтеді.

Диффузияарналар екі бағытта жүреді. Тасымалдау ақуыздарының көмегімен бұл диффузия деп аталады жеңілдетілген диффузия. Иондар өтетін тасымалдаушы ақуыздарды иондық арналар деп атайды. Әдетте, иондық арналар «қақпалармен» жабдықталған, яғни олар ашуға және жабуға болады. Жүйке импульстарын өткізуде ашылуы және жабылуы мүмкін иондық арналар маңызды рөл атқарады.

Арна ақуыздарындапішіні бекітілген. Муковисцидоз деп аталатын ауру хлорид иондарының арнасы ретінде қызмет ететін ақуыздың ақауынан туындайтыны көрсетілген. Тасымалдаушы белоктарда, керісінше, пішіні секундына 100 циклге дейін жылдам өзгерістерге ұшырайды. Олар екі күйде бар және олардың әрекет ету механизмі пинг-понг ойынына ұқсайды.

Суретте бұл механизм қалай жұмыс істейтіні көрсетілген. Байланыстыру тасымалдаушы белок аймақтарыбір күйде («пинг») олар сыртқа, ал екіншісінде («понг») ішке қарайды. Еріген молекулалардың немесе иондардың концентрациясы неғұрлым жоғары болса, олардың байланысу мүмкіндігі соғұрлым жоғары болады. Егер еріген заттың сыртындағы концентрациясы суреттегі глюкоза бар мысалдағыдай жасуша ішіндегіден жоғары болса, онда бұл заттың нақты ағыны ішке қарай бағытталады және ол жасушаға түседі.

Осылайша глюкоза қызыл қан жасушаларына енеді. Мұндай қозғалыста бәрі бар тән ерекшеліктерідиффузия, бұл ақуыздың қатысуымен жеңілдетілгенімен. Жеңілдетілген диффузияның тағы бір мысалы - хлоридтердің ауысуы деп аталатын кезеңде қызыл қан жасушалары мен қан плазмасы арасындағы хлорид пен бикарбонат иондарының қозғалысы. Бұл мембраналардың ішінара және селективті өткізгіштігін қамтамасыз ететін механизмдердің бірі.

Физикадағы көптеген құбылыстардың ішінде диффузия процесі ең қарапайым және түсінікті болып табылады. Өйткені, күн сайын таңертең хош иісті шай немесе кофе дайындап жатқанда, адам бұл реакцияны іс жүзінде байқауға мүмкіндік алады. Бұл процесс және оның әртүрлі агрегаттық күйлерінде пайда болу шарттары туралы көбірек білейік.

Диффузия дегеніміз не

Бұл сөз бір заттың молекулаларының немесе атомдарының екіншісінің ұқсас құрылымдық бірліктерінің арасына енуін білдіреді. Бұл жағдайда енетін қосылыстардың концентрациясы теңестіріледі.

Бұл процесті алғаш рет 1855 жылы неміс ғалымы Адольф Фик егжей-тегжейлі сипаттаған.

Бұл терминнің атауы латынның diffusio (өзара әрекеттесу, дисперсия, таралу) сөзінен шыққан.

Сұйықтықтағы диффузия

Қарастырылып отырған процесс барлық үш агрегаттық күйдегі заттармен болуы мүмкін: газ тәрізді, сұйық және қатты. Мұның практикалық мысалдарын табу үшін ас үйге қараңыз.

Пеште қайнап жатқан борщ – соның бірі. Температураның әсерінен глюкозаның бетанин молекулалары (қызылшаның қанық қызыл түсі бар зат) су молекулаларымен біркелкі әрекеттесіп, оған ерекше бургундия реңк береді. Бұл жағдай сұйықтықтарда.

Борщтан басқа, бұл процесті бір стақан шай немесе кофеден де көруге болады. Бұл сусындардың екеуі де кофенің қайнатылған немесе суда еріген бөлшектері оның молекулалары арасында біркелкі таралып, оны бояйтындығына байланысты біркелкі, қанық реңкке ие. Тоқсаныншы жылдардағы барлық танымал жылдам сусындардың әрекеті бір принципке негізделген: Yupi, Invite, Zuko.

Газдардың өзара енуі

Иіс шығаратын атомдар мен молекулалар белсенді қозғалыста болады және нәтижесінде ауада бұрыннан бар бөлшектермен араласады және бөлмеде біркелкі таралады.

Бұл газдардағы диффузияның көрінісі. Айта кету керек, ауаны ингаляциялаудың өзі де қарастырылып жатқан процеске қатысты, асүйде жаңадан дайындалған борщтың тәбетті иісі сияқты.

Қатты денелердегі диффузия

Гүлдер тігілген асхана үстелі жарқын дастарханмен жабылған. сары. Ол диффузияның өту қабілетіне байланысты ұқсас реңк алды қатты заттар.

Кенепке біркелкі реңк беру процесі келесідей бірнеше кезеңде өтеді.

1. Сары пигмент бөлшектері бояу ыдысында талшықты материалға қарай тарады.
2. Содан кейін олар боялған матаның сыртқы бетімен сіңірілді.
3. Келесі қадам бояуды қайтадан диффузиялау болды, бірақ бұл жолы матаның талшықтарына.
4. Соңында, мата пигменттің бөлшектерін бекітіп, боялады.

Газдардың металдардағы диффузиясы

Әдетте, бұл процесс туралы сөз еткенде заттардың бірдей агрегаттық күйдегі өзара әрекеттесуін қарастырамыз. Мысалы, қатты денелердегі диффузия, қатты заттар. Бұл құбылысты дәлелдеу үшін екі металл пластина (алтын және қорғасын) бір-біріне қыстырылып эксперимент жүргізіледі. Олардың молекулаларының өзара енуі өте ұзақ уақыт бойы жүреді (бес жылда бір миллиметр). Бұл процесс әдеттен тыс зергерлік бұйымдарды жасау үшін қолданылады.

Дегенмен, әртүрлі агрегаттық күйдегі қосылыстар да диффузияға қабілетті. Мысалы, қатты денелерде газдардың диффузиясы бар.

Тәжірибе барысында атомдық күйде де осындай процесс болатыны дәлелденді. Оны белсендіру үшін, әдетте, температура мен қысымның айтарлықтай жоғарылауы қажет.

Қатты денелердегі мұндай газ тәрізді диффузияның мысалы ретінде сутегі коррозиясын келтіруге болады. Ол кейбіреулердің процесінде туындайтын жағдайларда көрінеді химиялық реакцияСутегі атомдары (H 2) жоғары температура әсерінен (200-ден 650 градус Цельсийге дейін) металдың құрылымдық бөлшектерінің арасына енеді.

Қатты денелерде сутегіден басқа оттегінің және басқа газдардың диффузиясы да болуы мүмкін. Көзге көрінбейтін бұл процесс көп зиян келтіреді, өйткені оның салдарынан металл құрылымдары құлауы мүмкін.

Сұйықтардың металдардағы диффузиясы

Бірақ қатты денелерге тек газ молекулалары ғана емес, сонымен қатар сұйықтықтар да өте алады. Сутегі жағдайындағыдай, бұл процесс көбінесе коррозияға әкеледі (егер металдар туралы айтатын болсақ).

Қатты денелердегі сұйық диффузияның классикалық мысалы судың (H 2 O) немесе электролит ерітінділерінің әсерінен металдардың коррозиясы болып табылады. Көпшілігі үшін бұл процесс тоттану деген атаумен таныс. Сутегі коррозиясынан айырмашылығы, іс жүзінде ол әлдеқайда жиі кездеседі.

Диффузияны жеделдету шарттары. Диффузия коэффициенті

Қарастырылып отырған процесс қандай заттарда болуы мүмкін екенін анықтай отырып, оның пайда болу жағдайларын білу керек.

Ең алдымен диффузия жылдамдығы өзара әрекеттесетін заттардың агрегаттық күйіне байланысты. Реакция неғұрлым үлкен болса, соғұрлым оның жылдамдығы баяулайды.

Осыған байланысты сұйықтар мен газдардағы диффузия әрқашан қатты заттарға қарағанда белсендірек болады.

Мысалы, калий перманганатының KMnO 4 (калий перманганаты) кристалдары суға тасталса, олар бірнеше минут ішінде оған әдемі қызыл қызыл түс береді. Алайда, егер сіз мұздың бір бөлігіне KMnO 4 кристалдарын сеуіп, барлығын мұздатқышқа салсаңыз, бірнеше сағаттан кейін калий перманганаты мұздатылған H 2 O-ны толығымен бояй алмайды.

Алдыңғы мысалдан диффузия шарттары туралы тағы бір қорытынды жасауға болады. Агрегация күйінен басқа, температура бөлшектердің өзара ену жылдамдығына да әсер етеді.

Қарастырылып отырған процестің оған тәуелділігін қарастыру үшін диффузия коэффициенті сияқты ұғымды білген жөн. Бұл оның жылдамдығының сандық сипаттамасына берілген атау.

Көптеген формулаларда ол бас латынның D әрпімен белгіленеді және SI жүйесінде секундына шаршы метрмен (м²/с), кейде секундына сантиметрмен (см 2 /м) өлшенеді.

Диффузия коэффициенті екі беттегі тығыздықтардың айырмашылығы (бірлік ұзындыққа тең қашықтықта орналасқан) бірлікке тең болған жағдайда бірлік уақыт ішінде бірлік беті арқылы шашыраңқы заттың мөлшеріне тең. D-ны анықтайтын критерийлер - бөлшектердің дисперсия процесінің өзі жүретін заттың қасиеттері және олардың түрі.

Коэффиценттің температураға тәуелділігін Аррениус теңдеуінің көмегімен сипаттауға болады: D = D 0exp (-E/TR).

Қарастырылып отырған формулада Е – процесті белсендіруге қажетті минималды энергия; T - температура (Цельсий бойынша емес, Кельвинмен өлшенеді); R – идеал газға тән газ тұрақтысы.

Жоғарыда айтылғандардың барлығынан басқа қатты денелердегі және газдардағы сұйықтардағы диффузия жылдамдығына қысым мен сәулелену (индукция немесе жоғары жиілік) әсер етеді. Сонымен қатар, көп нәрсе каталитикалық заттың болуына байланысты, ол көбінесе бөлшектердің белсенді дисперсиясы үшін триггер ретінде әрекет етеді;

Диффузия теңдеуі

Бұл құбылыс дербес дифференциалдық теңдеудің ерекше түрі болып табылады.

Оның мақсаты - зат концентрациясының кеңістіктің (ол таралатын) өлшемі мен координатасына, сондай-ақ уақытқа тәуелділігін табу. Бұл жағдайда берілген коэффициент реакция үшін ортаның өткізгіштігін сипаттайды.

Көбінесе диффузия теңдеуі былай жазылады: ∂φ (r,t)/∂t = ∇ x.

Онда φ (t және r) - t уақытындағы r нүктесіндегі шашырау затының тығыздығы. D (φ, r) - r нүктесіндегі φ тығыздықтағы жалпыланған диффузия коэффициенті.

∇ - координаталық құрамдас бөліктері жартылай туынды болатын векторлық дифференциалдық оператор.

Диффузия коэффициенті тығыздыққа тәуелді болса, теңдеу сызықты емес болады. болмаған кезде - сызықтық.

Диффузияның анықтамасын және әртүрлі ортадағы бұл процестің ерекшеліктерін қарастыра отырып, оның оң және теріс жақтары бар екенін атап өтуге болады.

Неліктен бұл хабарды көріп тұрсыз? Егер сіз оның иесі болсаңыз, сайттың алдын ала төленген хостинг мерзімі аяқталды. Егер сіз оның иесі болсаңыз, сіз өз балансыңызды толтыруыңыз керек. Веб-сайттың иесі оны орналастыру туралы келісімнің шарттарын бұзды.

NetAngels :: Кәсіби хостинг

Тел.: 8-800-2000-699 (Ресей Федерациясы бойынша қоңырау шалу тегін)

Хостинг - бұл провайдердің серверінде веб-сайтты немесе провайдер сайтындағы серверді (деректер орталығында) орналастыру қызметі, яғни. тәулік бойы Интернетке қосылуды, үздіксіз электрмен жабдықтауды және салқындауды қамтамасыз ету. Негізінде, веб-сайттарды орналастыруға сұраныс хостинг серверлеріне қарағанда әлдеқайда көп, өйткені әдетте өз серверлеріңізді орналастыру тек үлкен веб-сайттар немесе порталдар үшін қажет. Сондай-ақ, хостинг сайттарының өзі осы қызметті ұсынатын сайттар немесе серверлер деп аталады.

Мектеп оқушыларының физика курсында (шамамен жетінші сыныпта) мектеп оқушылары диффузия бір заттың бөлшектерінің екінші заттың бөлшектерінің арасына өзара енуін білдіретін процесс екенін, соның нәтижесінде бүкіл алып жатқан көлемдегі концентрациялардың теңестірілетінін біледі. Бұл түсіну өте қиын анықтама. Оның не екенін анықтау үшін қарапайым диффузия, диффузия заңы, оның теңдеуі, осы мәселелер бойынша материалдарды жан-жақты зерттеу қажет. Дегенмен, егер адам жеткілікті болса жалпы идея, содан кейін төмендегі деректер негізгі білім алуға көмектеседі.

Физикалық құбылыс - бұл не

Көптеген адамдар физикалық құбылыстың не екенін және оның химиялық құбылыстан айырмашылығын, сондай-ақ диффузияның қандай құбылыстарға жататынын білмеуіне байланысты немесе мүлдем білмейтіндіктен, физикалық құбылыстың не екенін түсіну қажет. . Сонымен, баршаға белгілі физика – материяның құрылысы мен қозғалысы туралы жалпы табиғи заңдылықтарды зерттейтін, сонымен қатар заттың өзін де зерттейтін жаратылыстану саласына жататын дербес ғылым. Осыған сәйкес, физикалық құбылыс деп, нәтижесінде жаңа заттар түзілмей, тек заттың құрылымында өзгеріс болатын құбылысты айтамыз. Физикалық құбылыстың химиялық құбылыстан айырмашылығы – нәтижесінде жаңа заттар түзілмейді. Сонымен, диффузия физикалық құбылыс болып табылады.

Диффузия терминінің анықтамасы

Өздеріңіз білетіндей, белгілі бір ұғымның көптеген тұжырымдары болуы мүмкін, бірақ жалпы мағынасы өзгермеуі керек. Ал диффузия құбылысы да ерекшелік емес. Жалпылама анықтама келесідей: диффузия – екі немесе одан да көп заттардың бөлшектерінің (молекулаларының, атомдарының) осы заттар алып жатқан бүкіл көлемге біркелкі тарағанға дейін өзара енуін білдіретін физикалық құбылыс. Диффузия нәтижесінде жаңа заттар түзілмейді, сондықтан да дәл физикалық құбылыс. Қарапайым диффузия диффузия деп аталады, оның нәтижесінде бөлшектер ең көп концентрациялы аймақтан төменгі концентрациялы аймаққа ауысады, бұл бөлшектердің жылулық (хаотикалық, броундық) қозғалысы нәтижесінде пайда болады. Басқаша айтқанда, диффузия - бұл әртүрлі заттардың бөлшектерін араластыру процесі және бөлшектер бүкіл көлемге біркелкі таралады. Бұл өте жеңілдетілген анықтама, бірақ ең түсінікті.

Диффузия түрлері

Диффузияны газ тәрізді де, бақылау кезінде де жазуға болады сұйық заттар, және қаттылар үшін. Сондықтан оның бірнеше түрі бар:

• Кванттық диффузия - қатты денелерде болатын бөлшектердің немесе нүктелік ақаулардың (заттың кристалдық торындағы жергілікті бұзылулар) диффузия процесі. Жергілікті бұзылулар – кристалдық тордың белгілі бір нүктесіндегі бұзылулар.

• Коллоидтық - коллоидтық жүйенің бүкіл көлемінде болатын диффузия. Коллоидтық жүйе дегеніміз - бір-бірінен айырмашылығы бар бөлшектер, көпіршіктер, басқалардың тамшылары болатын орта. біріктіру жағдайыжәне бірінші, сәрсенбіден бастап композиция. Мұндай жүйелер, сондай-ақ оларда болып жатқан процестер коллоидтық химия курсында жан-жақты зерттеледі.
• Конвективті – бір заттың микробөлшектерін ортаның макробөлшектерімен тасымалдау. Үздіксіз орталардың қозғалысын зерттеумен физиканың гидродинамика деп аталатын ерекше бөлімі айналысады. Сол жерден ағын күйлері туралы білім алуға болады.
• Турбулентті диффузия – бір заттың екінші затқа ауысу процесі турбулентті қозғалысекінші зат (газдар мен сұйықтықтарға тән).

Диффузияның газдарда да, сұйықтарда да, қатты денелерде де болуы мүмкін екендігі туралы мәлімдеме расталды.

Фик заңы дегеніміз не?

Неміс ғалымы, физигі Фик бөлшектер ағынының тығыздығының бірлік аудандағы зат концентрациясының ұзындық бірлігіне байланысты өзгеруіне тәуелділігін көрсететін заң шығарды. Бұл заң диффузия заңы болып табылады. Заңды былай тұжырымдауға болады: ось бойымен бағытталған бөлшектер ағыны, бөлшектер ағынының бағыты анықталатын ось бойымен сызылған айнымалыға қатысты бөлшектер санының туындысына пропорционал. Басқаша айтқанда, ось бағытында қозғалатын бөлшектердің ағыны ағынмен бір ось бойымен сызылған айнымалыға қатысты бөлшектер санының туындысына пропорционал. Фик заңы материяның уақыт пен кеңістікте тасымалдану процесін сипаттауға мүмкіндік береді.

Диффузия теңдеуі

Заттың ішінде ағындар болған кезде заттың өзін кеңістікте қайта бөлу жүреді. Осыған байланысты бұл қайта бөлу процесін макроскопиялық тұрғыдан сипаттайтын бірнеше теңдеулер бар. Диффузия теңдеуі дифференциалды. Одан туындайды жалпы теңдеузат алмасу, оны үздіксіздік теңдеуі деп те атайды. Диффузия болған жағдайда жоғарыда сипатталған Фик заңы қолданылады. Теңдеу келесідей көрінеді:

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

Диффузия әдістері

Диффузия әдісі, дәлірек айтқанда оны қатты материалдарда жүзеге асыру әдісі соңғы уақытта кеңінен қолданылуда. Бұл әдістің артықшылықтарына байланысты, олардың бірі қолданылатын жабдықтың және процестің өзі қарапайымдылығы. Қатты көздерден диффузиялық әдістің мәні бір немесе бірнеше элементтермен легирленген пленкаларды жартылай өткізгіштерге тұндыру болып табылады. Қатты көз әдісінен басқа диффузияны орындаудың бірнеше басқа әдістері бар:

• жабық көлемде (ампулалық әдіс). Минималды уыттылық әдістің артықшылығы болып табылады, бірақ ампуланың бір реттік қолданылуына байланысты оның жоғары құны айтарлықтай кемшілік болып табылады;
• ашық көлемде (жылулық диффузия). Көптеген элементтерді пайдалану мүмкіндігі жоғары температураға байланысты алынып тасталады, сонымен қатар бүйірлік диффузия бұл әдістің үлкен кемшіліктері болып табылады;
• жартылай жабық көлемде (қорап әдісі). Бұл жоғарыда сипатталған екеуінің арасындағы аралық әдіс.

Диффузияның әдістері мен ерекшеліктері туралы көбірек білу үшін осы мәселелерге арнайы арналған қосымша әдебиеттерді зерттеу қажет.