Co decyduje o szybkości dyfuzji? Szybkość dyfuzji

Spis treści tematu "Mikroskopia elektronowa. Membrana.":

Czynniki wpływające szybkość dyfuzji, połączone w Prawo Ficka. Stwierdza, że ​​szybkość dyfuzji jest proporcjonalna do następującego wyrażenia:

Jakie więc cząsteczki mogą przejść przez błony rachunek dyfuzyjny? Gazy takie jak tlen i dwutlenek węgla szybko dyfundują przez membrany. Cząsteczki wody, choć silnie spolaryzowane, są na tyle małe, że mogą prześlizgiwać się pomiędzy hydrofobowymi cząsteczkami fosfolipidów bez zakłóceń.

Jednocześnie jony i większy polar cząsteczki z obszarami hydrofobowymi membrany odpychają się, a zatem przez membranę niezwykle wolno. Do ich wejścia do komórki potrzebne są inne mechanizmy.

Niektóre jony i cząsteczki polarne dostają się do komórki za pomocą specjalne białka transportowe. Są to białka kanałowe i białka nośnikowe. Wypełnione wodą kanały hydrofilowe, czyli pory, tych białek mają ściśle określony kształt, odpowiadający konkretnemu jonowi lub cząsteczce. Czasami kanał nie przebiega w obrębie jednej cząsteczki białka, ale pomiędzy kilkoma sąsiednimi cząsteczkami.

Dyfuzja kanały idą w obie strony. Nazywa się to dyfuzją za pomocą białek transportowych ułatwiona dyfuzja. Białka transportowe, przez które przechodzą jony, nazywane są kanałami jonowymi. Zazwyczaj kanały jonowe są wyposażone w „bramki”, co oznacza, że ​​mogą się otwierać i zamykać. Kanały jonowe, które mogą się otwierać i zamykać, odgrywają ważną rolę w przewodzeniu impulsów nerwowych.

W białkach kanałowych kształt jest stały. Wykazano, że choroba zwana mukowiscydozą wynika z defektu białka, które służy jako kanał dla jonów chlorkowych. Natomiast w białkach nośnikowych kształt ulega szybkim zmianom, do 100 cykli na sekundę. Występują w dwóch stanach, a ich mechanizm działania przypomina grę w ping-ponga.

Rysunek pokazuje, jak działa ten mechanizm. Wiążący regiony białka nośnikowego w jednym stanie („ping”) są zwrócone na zewnątrz, a w drugim („pong”) skierowane są do wewnątrz. Im wyższe stężenie rozpuszczonych cząsteczek lub jonów, tym większa szansa, że ​​zostaną one związane. Jeśli stężenie substancji rozpuszczonej na zewnątrz jest wyższe niż wewnątrz komórki, jak w przykładzie z glukozą na rysunku, wówczas rzeczywisty przepływ tej substancji będzie skierowany do wewnątrz i będzie ona wpływać do komórki.

W ten sposób glukoza dostaje się do czerwonych krwinek. Ten rodzaj ruchu ma wszystko cechy charakterystyczne dyfuzja, choć ułatwia to udział białka. Innym przykładem dyfuzji ułatwionej jest ruch jonów chlorkowych i wodorowęglanowych pomiędzy czerwonymi krwinkami a osoczem krwi podczas tzw. przesunięcia chlorkowego. Jest to jeden z mechanizmów zapewniających częściową i selektywną przepuszczalność błon.

Wśród licznych zjawisk zachodzących w fizyce proces dyfuzji jest jednym z najprostszych i najbardziej zrozumiałych. Przecież każdego ranka, przygotowując aromatyczną herbatę czy kawę, człowiek ma okazję zaobserwować tę reakcję w praktyce. Dowiedzmy się więcej o tym procesie i warunkach jego występowania w różnych stanach agregacji.

Co to jest dyfuzja

Słowo to odnosi się do przenikania cząsteczek lub atomów jednej substancji pomiędzy podobnymi jednostkami strukturalnymi drugiej. W tym przypadku stężenie związków penetrujących zostaje wyrównane.

Proces ten został po raz pierwszy szczegółowo opisany przez niemieckiego naukowca Adolfa Ficka w 1855 roku.

Nazwa tego terminu wywodzi się od łacińskiego diffusio (interakcja, dyspersja, dystrybucja).

Dyfuzja w cieczy

Rozważany proces może zachodzić z substancjami we wszystkich trzech stanach skupienia: gazowym, ciekłym i stałym. Aby znaleźć praktyczne przykłady tego, wystarczy zajrzeć do kuchni.

Jednym z nich jest barszcz gotowany na piecu. Pod wpływem temperatury cząsteczki betaniny glukozowej (substancji, dzięki której buraki mają tak bogatą szkarłatną barwę) równomiernie reagują z cząsteczkami wody, nadając jej niepowtarzalny bordowy odcień. W tym przypadku mamy do czynienia z cieczami.

Oprócz barszczu proces ten można zaobserwować także w szklance herbaty lub kawy. Obydwa te napoje mają tak jednolity, bogaty odcień dzięki temu, że napar lub cząsteczki kawy rozpuszczając się w wodzie równomiernie rozprowadzają się pomiędzy jej cząsteczkami, barwiąc ją. Działanie wszystkich popularnych napojów instant lat dziewięćdziesiątych opiera się na tej samej zasadzie: Yupi, Invite, Zuko.

Wzajemne przenikanie gazów

Atomy i cząsteczki przenoszące zapach są w aktywnym ruchu, w wyniku czego mieszają się z cząsteczkami już zawartymi w powietrzu i są dość równomiernie rozproszone po całym pomieszczeniu.

Jest to przejaw dyfuzji w gazach. Warto zaznaczyć, że z rozpatrywanym procesem ma także samo wdychanie powietrza, podobnie jak apetyczny zapach świeżo przygotowanego barszczu w kuchni.

Dyfuzja w ciałach stałych

Stół kuchenny, na którym leżą kwiaty, nakryty jest jasnym obrusem. żółty. Podobny odcień uzyskała dzięki zdolności przenikania ciała stałe.

Proces nadawania płótnu jednolitego odcienia przebiega w kilku etapach w następujący sposób.

1. Cząsteczki żółtego pigmentu rozproszone w zbiorniku barwnika w kierunku materiału włóknistego.
2. Zostały one następnie wchłonięte przez zewnętrzną powierzchnię barwionej tkaniny.
3. Kolejnym krokiem było ponowne rozprowadzenie barwnika, tym razem we włóknach tkaniny.
4. Wreszcie tkanina utrwaliła cząsteczki pigmentu, przez co stała się kolorowa.

Dyfuzja gazów w metalach

Zwykle mówiąc o tym procesie, mamy na myśli oddziaływania substancji znajdujących się w identycznych stanach skupienia. Na przykład dyfuzja w ciałach stałych, ciała stałe. Aby udowodnić to zjawisko, przeprowadza się eksperyment z dwiema metalowymi płytkami (złotą i ołowianą) dociśniętymi do siebie. Wzajemne przenikanie ich cząsteczek następuje przez dość długi czas (jeden milimetr w ciągu pięciu lat). Proces ten wykorzystywany jest do tworzenia niezwykłej biżuterii.

Jednakże związki w różnych stanach agregacji są również zdolne do dyfuzji. Na przykład występuje dyfuzja gazów w ciałach stałych.

Podczas eksperymentów wykazano, że podobny proces zachodzi w stanie atomowym. Aby go aktywować, z reguły wymagany jest znaczny wzrost temperatury i ciśnienia.

Przykładem takiej dyfuzji gazów w ciałach stałych jest korozja wodorowa. Przejawia się w sytuacjach, gdy powstające w trakcie niektórych reakcja chemiczna Atomy wodoru (H2) pod wpływem wysokich temperatur (od 200 do 650 stopni Celsjusza) przenikają pomiędzy cząstkami strukturalnymi metalu.

Oprócz wodoru w ciałach stałych może również zachodzić dyfuzja tlenu i innych gazów. Proces ten, niewidoczny dla oka, przynosi wiele szkód, ponieważ konstrukcje metalowe mogą się z jego powodu zawalić.

Dyfuzja cieczy w metalach

Jednak nie tylko cząsteczki gazu mogą przenikać do ciał stałych, ale także do cieczy. Podobnie jak w przypadku wodoru, najczęściej proces ten prowadzi do korozji (jeśli mówimy o metalach).

Klasycznym przykładem dyfuzji cieczy w ciałach stałych jest korozja metali pod wpływem wody (H 2 O) lub roztworów elektrolitów. Dla większości proces ten jest bardziej znany pod nazwą rdzewienie. W odróżnieniu od korozji wodorowej, w praktyce spotyka się ją znacznie częściej.

Warunki przyspieszania dyfuzji. Współczynnik dyfuzji

Po ustaleniu, w jakich substancjach może zachodzić dany proces, warto poznać warunki jego wystąpienia.

Przede wszystkim prędkość dyfuzji zależy od stanu skupienia, w jakim znajdują się substancje oddziałujące. Im większa jest reakcja, tym mniejsza jest jej prędkość.

Pod tym względem dyfuzja w cieczach i gazach zawsze będzie bardziej aktywna niż w ciałach stałych.

Na przykład kryształy nadmanganianu potasu KMnO 4 (nadmanganianu potasu) wrzucone do wody w ciągu kilku minut nadadzą jej piękny szkarłatny kolor. Jeśli jednak posypiecie kryształkami KMnO 4 kawałek lodu i włożycie całość do zamrażarki, to po kilku godzinach nadmanganian potasu nie będzie w stanie w pełni zabarwić zamrożonej H 2 O.

Z poprzedniego przykładu możemy wyciągnąć inny wniosek na temat warunków dyfuzji. Oprócz stanu skupienia temperatura wpływa również na szybkość wzajemnego przenikania się cząstek.

Aby rozważyć zależność rozpatrywanego procesu od tego, warto poznać takie pojęcie, jak współczynnik dyfuzji. Tak nazywa się ilościowa charakterystyka jego prędkości.

W większości wzorów oznacza się ją wielką łacińską literą D, a w układzie SI mierzy się ją w metrach kwadratowych na sekundę (m²/s), czasami w centymetrach na sekundę (cm2/m).

Współczynnik dyfuzji jest równy ilości substancji rozproszonej na jednostkowej powierzchni w jednostce czasu, pod warunkiem, że różnica gęstości na obu powierzchniach (znajdujących się w odległości równej jednostkowej długości) jest równa jedności. Kryteriami określającymi D są właściwości substancji, w której zachodzi sam proces dyspersji cząstek, oraz ich rodzaj.

Zależność współczynnika od temperatury można opisać równaniem Arrheniusa: D = D 0exp (-E/TR).

W rozważanym wzorze E jest minimalną energią wymaganą do aktywacji procesu; T - temperatura (mierzona w Kelwinach, a nie w Celsjuszach); R jest stałą gazową charakterystyczną dla gazu doskonałego.

Oprócz tego na szybkość dyfuzji ciał stałych i cieczy w gazach wpływa ciśnienie i promieniowanie (indukcja lub wysoka częstotliwość). Ponadto wiele zależy od obecności substancji katalitycznej; często działa ona jako czynnik wyzwalający aktywną dyspersję cząstek.

Równanie dyfuzji

Zjawisko to jest szczególnym rodzajem równania różniczkowego cząstkowego.

Jego celem jest znalezienie zależności stężenia substancji od wielkości i współrzędnych przestrzeni (w której się ona rozprzestrzenia) oraz czasu. W tym przypadku podany współczynnik charakteryzuje przepuszczalność ośrodka dla reakcji.

Najczęściej równanie dyfuzji zapisuje się w następujący sposób: ∂φ (r,t)/∂t = ∇ x.

W nim φ (t i r) jest gęstością materii rozpraszającej w punkcie r w chwili t. D (φ, r) to uogólniony współczynnik dyfuzji przy gęstości φ w punkcie r.

∇ jest wektorowym operatorem różniczkowym, którego składowe współrzędnych są pochodnymi cząstkowymi.

Gdy współczynnik dyfuzji zależy od gęstości, równanie jest nieliniowe. Kiedy nie - liniowy.

Rozważając definicję dyfuzji i cechy tego procesu w różnych środowiskach, można zauważyć, że ma on zarówno pozytywne, jak i negatywne strony.

Dlaczego widzisz tę wiadomość?. Jeśli jesteś jej właścicielem, skorzystaj z instrukcji. Upłynął okres przedpłaconego hostingu witryny. Jeżeli jesteś jego właścicielem musisz uzupełnić saldo. Właściciel serwisu zdecydował się go wyłączyć. Strona naruszyła warunki umowy o jej hosting.

NetAngels :: Profesjonalny hosting

Tel.: 8-800-2000-699 (Połączenie na terenie Federacji Rosyjskiej jest bezpłatne)

Hosting to usługa polegająca na umieszczeniu strony internetowej na serwerze dostawcy lub serwera na stronie dostawcy (w centrum danych), tj. zapewnienie całodobowego łącza internetowego, nieprzerwanego zasilania i chłodzenia. W zasadzie zapotrzebowanie na hosting stron internetowych jest znacznie większe niż na serwery hostingowe, ponieważ hosting własnych serwerów jest zazwyczaj konieczny jedynie w przypadku dość dużych stron internetowych czy portali. Same witryny hostingowe nazywane są także witrynami lub serwerami świadczącymi tę usługę.

Na szkolnych zajęciach z fizyki (mniej więcej w siódmej klasie) dzieci w wieku szkolnym dowiadują się, że dyfuzja to proces polegający na wzajemnym przenikaniu cząstek jednej substancji pomiędzy cząsteczkami drugiej substancji, w wyniku czego następuje wyrównanie stężeń w całej zajmowanej objętości. Jest to dość trudna do zrozumienia definicja. Aby dowiedzieć się, co to jest prosta dyfuzja, prawo dyfuzji, jego równanie, konieczne jest szczegółowe przestudiowanie materiałów na te tematy. Jeśli jednak dana osoba ma dość ogólny pomysł, to poniższe dane pomogą Ci zdobyć podstawową wiedzę.

Zjawisko fizyczne - co to jest

W związku z tym, że wiele osób jest zdezorientowanych lub w ogóle nie wie, czym jest zjawisko fizyczne i czym różni się od zjawiska chemicznego, a także jakiego rodzaju zjawiska dotyczy dyfuzja, konieczne jest zrozumienie, czym jest zjawisko fizyczne . Jak więc wszyscy wiedzą, fizyka jest samodzielną nauką należącą do nauk przyrodniczych, która bada ogólne prawa przyrody dotyczące budowy i ruchu materii, a także bada samą materię. Zatem zjawisko fizyczne to zjawisko, w wyniku którego nie powstają nowe substancje, a jedynie następuje zmiana struktury substancji. Różnica między zjawiskiem fizycznym a chemicznym polega właśnie na tym, że w jego wyniku nie powstają nowe substancje. Zatem dyfuzja jest zjawiskiem fizycznym.

Definicja pojęcia dyfuzja

Jak wiadomo, sformułowań konkretnego pojęcia może być wiele, ale ogólne znaczenie nie powinno się zmieniać. A zjawisko dyfuzji nie jest wyjątkiem. Uogólniona definicja jest następująca: dyfuzja to zjawisko fizyczne, które reprezentuje wzajemne przenikanie się cząstek (cząsteczek, atomów) dwóch lub więcej substancji, aż do równomiernego rozmieszczenia w całej objętości zajmowanej przez te substancje. W wyniku dyfuzji nie powstają żadne nowe substancje i dlatego właśnie tak jest zjawisko fizyczne. Prosta dyfuzja nazywana jest dyfuzją, w wyniku której cząstki przemieszczają się z obszaru o najwyższym stężeniu do obszaru o niższym stężeniu, co jest spowodowane termicznym (chaotycznym, Browna) ruchem cząstek. Innymi słowy, dyfuzja to proces mieszania cząstek różnych substancji, przy czym cząstki są równomiernie rozmieszczone w całej objętości. To bardzo uproszczona definicja, ale najbardziej zrozumiała.

Rodzaje dyfuzji

Dyfuzję można rejestrować zarówno podczas obserwacji gazów, jak i substancje płynne i dla solidnych. Dlatego obejmuje kilka typów:

• Dyfuzja kwantowa to proces dyfuzji cząstek lub defektów punktowych (lokalnych zaburzeń w sieci krystalicznej substancji), który zachodzi w ciałach stałych. Zakłócenia lokalne to zakłócenia w określonym punkcie sieci krystalicznej.

• Koloidalny - dyfuzja zachodząca w całej objętości układu koloidalnego. Układ koloidalny to ośrodek, w którym cząstki, pęcherzyki, krople innych, różnią się stan skupienia i kompozycja z pierwszej, środy. Układy takie, jak i procesy w nich zachodzące, są szczegółowo badane w toku chemii koloidalnej.
• Konwekcyjny - przeniesienie mikrocząstek jednej substancji przez makrocząsteczki ośrodka. Badaniem ruchu ośrodków ciągłych zajmuje się specjalna gałąź fizyki, zwana hydrodynamiką. Stamtąd możesz zdobyć wiedzę na temat stanów przepływu.
• Dyfuzja turbulentna to proces przenoszenia jednej substancji w drugą, powodowany przez burzliwy ruch druga substancja (typowa dla gazów i cieczy).

Potwierdza się stwierdzenie, że dyfuzja może zachodzić zarówno w gazach i cieczach, jak i w ciałach stałych.

Jakie jest prawo Ficka?

Niemiecki naukowiec, fizyk Fick, wyprowadził prawo pokazujące zależność gęstości strumienia cząstek przez jednostkę powierzchni od zmiany stężenia substancji na jednostkę długości. To prawo jest prawem dyfuzji. Prawo to można sformułować następująco: przepływ cząstek skierowany wzdłuż osi jest proporcjonalny do pochodnej liczby cząstek od zmiennej wykreślonej wzdłuż osi, względem której wyznaczany jest kierunek przepływu cząstek. Innymi słowy, przepływ cząstek poruszających się w kierunku osi jest proporcjonalny do pochodnej liczby cząstek względem zmiennej, która jest wykreślona wzdłuż tej samej osi co przepływ. Prawo Ficka pozwala nam opisać proces przenoszenia materii w czasie i przestrzeni.

Równanie dyfuzji

Kiedy w substancji występują przepływy, następuje redystrybucja samej substancji w przestrzeni. W związku z tym istnieje kilka równań opisujących proces redystrybucji z makroskopowego punktu widzenia. Równanie dyfuzji jest różniczkowe. Wynika z równanie ogólne transfer materii, zwany także równaniem ciągłości. W obecności dyfuzji stosuje się prawo Ficka, które opisano powyżej. Równanie wygląda następująco:

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

Metody dyfuzyjne

Metoda dyfuzyjna, a dokładniej metoda jej realizacji w materiałach stałych, jest ostatnio szeroko stosowana. Wynika to z zalet metody, a jedną z nich jest prostota stosowanego sprzętu i samego procesu. Istotą metody dyfuzyjnej ze źródeł stałych jest osadzanie na półprzewodnikach filmów domieszkowanych jednym lub większą liczbą pierwiastków. Oprócz metody ze źródłem stałym istnieje kilka innych metod przeprowadzania dyfuzji:

• w zamkniętej objętości (metoda ampułkowa). Zaletą tej metody jest minimalna toksyczność, ale jej wysoki koszt, wynikający z jednorazowości ampułki, jest istotną wadą;
• w otwartej przestrzeni (dyfuzja termiczna). Dużymi wadami tej metody jest wykluczenie możliwości wykorzystania wielu elementów ze względu na wysokie temperatury oraz dyfuzję boczną;
• w objętości częściowo zamkniętej (metoda pudełkowa). Jest to metoda pośrednia pomiędzy dwiema opisanymi powyżej.

Aby dowiedzieć się więcej na temat metod i cech dyfuzji, należy przestudiować dodatkową literaturę poświęconą specjalnie tym zagadnieniom.