Obsah
- TL; DR (príliš dlho; neprečítané)
- Grahamov zákon difúzie
- Fickove zákony šírenia
- Ďalšie zaujímavé fakty o difúznych mierach
K difúzii dochádza kvôli pohybu častíc. Častice v náhodnom pohybe, ako molekuly plynu, narážajú do seba, sledujúc Brownov pohyb, až sa v danej oblasti rovnomerne rozptýlia. Difúzia je potom tok molekúl z oblasti s vysokou koncentráciou do oblasti s nízkou koncentráciou, až kým sa nedosiahne rovnováha. Stručne povedané, difúzia opisuje plyn, kvapalinu alebo tuhú látku dispergujúcu sa v určitom priestore alebo v druhej látke. Medzi príklady difúzie patrí aróma parfumov šíriacich sa po miestnosti alebo kvapka zeleného potravinárskeho farbiva rozptyľujúca sa v šálke vody. Existuje niekoľko spôsobov, ako vypočítať mieru difúzie.
TL; DR (príliš dlho; neprečítané)
Pamätajte, že pojem „sadzba“ sa vzťahuje na zmenu množstva v priebehu času.
Grahamov zákon difúzie
Začiatkom 19. storočia škótsky chemik Thomas Graham (1805-1869) objavil kvantitatívny vzťah, ktorý teraz nesie jeho meno. Grahamov zákon uvádza, že miera difúzie dvoch plynných látok je nepriamo úmerná druhej odmocnine ich molárnych hmôt. Tento vzťah bol dosiahnutý za predpokladu, že všetky plyny nájdené pri rovnakej teplote vykazujú rovnakú priemernú kinetickú energiu, ako je to chápané v Kinetic Theory of the Gases. Inými slovami, Grahamov zákon je priamym dôsledkom toho, že plynné molekuly majú rovnakú priemernú kinetickú energiu, keď sú pri rovnakej teplote. Podľa Grahamovho zákona difúzia opisuje miešanie plynov a rýchlosť difúzie je rýchlosť tohto miešania. Všimnite si, že Grahamov zákon difúzie sa tiež nazýva Grahamov zákon efúzie, pretože efúzia je špeciálnym prípadom difúzie. Výtok je jav, keď plynné molekuly unikajú cez malú dieru do vákua, evakuovaného priestoru alebo komory. Miera výtoku meria rýchlosť, ktorou sa tento plyn prevádza do tohto vákua, evakuovaného priestoru alebo komory. Jedným zo spôsobov výpočtu rýchlosti difúzie alebo efúzie v jednom slovnom probléme je urobiť výpočty založené na Grahamovom zákone, ktorý vyjadruje vzťah medzi molárnou hmotnosťou plynov a ich rýchlosťou difúzie alebo efúzie.
Fickove zákony šírenia
V polovici 19. storočia formuloval nemecký lekár a fyziolog Adolf Fick (1829-1901) súbor zákonov upravujúcich správanie sa plynu difundujúceho cez tekutinovú membránu. Fickov prvý zákon o difúzii uvádza, že tok alebo čistý pohyb častíc v konkrétnej oblasti v určitom časovom období je priamo úmerný strmosti gradientu. Fickov prvý zákon možno písať takto:
tok = -D (dC ÷ dx)
kde (D) sa vzťahuje na difúzny koeficient a (dC / dx) je gradient (a je derivátom v kalkulu). Fickov prvý zákon teda v zásade uvádza, že náhodný pohyb častíc z Brownovho pohybu vedie k driftu alebo rozptylu častíc z oblastí s vysokou koncentráciou na nízke koncentrácie - a že rýchlosť driftu alebo rýchlosť difúzie je úmerná gradientu hustoty, ale v v opačnom smere k tomuto gradientu (ktorý predstavuje záporné znamienko pred difúznou konštantou). Zatiaľ čo Fickov prvý difúzny zákon popisuje, koľko tokov je, v skutočnosti Fickov druhý difúzny zákon ďalej popisuje mieru difúzie a má podobu parciálnej diferenciálnej rovnice. Fickov druhý zákon je opísaný vzorcom:
T = (1 ÷ )X2
čo znamená, že čas na rozptyl sa zvyšuje so štvorcom vzdialenosti, x. Fickove prvé a druhé zákony o difúzii v podstate poskytujú informácie o tom, ako gradienty koncentrácie ovplyvňujú mieru difúzie. Je zaujímavé, že University of Washington vymyslel šmrnc ako mnemotechniku, aby si pamätal, ako Fickove rovnice pomáhajú pri výpočte difúznej rýchlosti: „Fick hovorí, ako rýchlo sa molekula rozptyľuje. Delta P-krát A-krát k cez D je zákon, ktorý sa má používať…. Rozdiel tlaku, plocha povrchu a konštanta k sa vynásobia spolu. Sú rozdelené difúznou bariérou, aby určili presnú mieru difúzie. “
Ďalšie zaujímavé fakty o difúznych mierach
Difúzia sa môže vyskytovať v pevných látkach, kvapalinách alebo plynoch. K difúzii samozrejme dochádza najrýchlejšie v plynoch a najpomalšie v pevných látkach. Miera difúzie môže byť rovnako ovplyvnená niekoľkými faktormi. Napríklad zvýšená teplota urýchľuje difúzne rýchlosti. Podobne môže difundovaná častica a materiál, do ktorého difunduje, ovplyvniť rýchlosť difúzie. Všimnite si napríklad, že polárne molekuly difundujú rýchlejšie v polárnych médiách, ako je voda, zatiaľ čo nepolárne molekuly sú nemiešateľné, a preto majú vo vode len ťažko difúziu. Hustota materiálu je ďalším faktorom ovplyvňujúcim rýchlosť difúzie. Pochopiteľne, ťažšie plyny difundujú oveľa pomalšie v porovnaní so svojimi ľahšími náprotivkami. Okrem toho veľkosť oblasti interakcie môže ovplyvniť rýchlosť difúzie, o čom svedčí aróma dispergovania domácej kuchyne na malej ploche rýchlejšie, ako by bola na väčšej ploche.
Ak difúzia prebieha aj proti koncentračnému gradientu, musí existovať určitá forma energie, ktorá difúziu uľahčuje. Zvážte, ako môže voda, oxid uhličitý a kyslík ľahko prechádzať cez bunkové membrány pasívnou difúziou (alebo osmózou v prípade vody). Ak však musí veľká, nelipidová rozpustná molekula prejsť cez bunkovú membránu, je potrebný aktívny transport, čo je miesto, kde vysokoenergetická molekula adenozíntrifosfátu (ATP) zasahuje, aby uľahčila difúziu cez bunkové membrány.