Нека започнем с факта, че течността е междинно агрегатно състояние. При критичната точка на кипене той е подобен на газовете, а при ниски температури се появяват характеристики, подобни на твърдо вещество. Течността няма идеален модел, което значително усложнява описанието на нейните равновесни термодинамични свойства, точка на замръзване, вискозитет, дифузия, топлопроводимост, повърхностно напрежение, ентропия, енталпия.
Определение
Какво е дифузия? Това е разпространението, разпределението, движението на частиците на средата, което води до пренос на материя, установяване на равновесни концентрации. При липса на външни влияния този процес се определя от термичното движение на частиците. В този случай процесът на дифузия е право пропорционален на концентрацията. Дифузионният поток ще се промени подобно на градиента на концентрация.
Разновидности
Ако дифузията в течност протича с промяна на температурата, това се нарича термична дифузия, в електрическо поле - електродифузия.
Процесът на движение на големи частици в течност или газ протича подзакони на Брауново движение.
Характеристики на потока
Дифузията в газове, течности и твърди вещества протича с различни скорости. Поради различията в характера на термичното движение на частиците в различни среди, процесът има максимална скорост в газове, а минимална скорост - в твърди вещества.
Траекторията на частицата е прекъсната линия, тъй като посоката и скоростта периодично се променят. Поради неправилното движение се наблюдава постепенно отстраняване на частицата от първоначалното й положение. Неговото изместване по права линия е много по-късо от пътя, който се извършва по прекъснат път.
Законът на Фика
Дифузията в течност се подчинява на два закона на Фик:
- плътността на дифузионния поток е право пропорционална на концентрацията с коефициент на дифузия;
- Скоростта на промяна в плътността на дифузионния поток е право пропорционална на скоростта на промяна в концентрацията и има обратна посока.
Дифузията в течност се характеризира със скокове на молекули от едно равновесно положение в друго. Всеки такъв скок се наблюдава, когато енергията се предаде на молекулата в обем, достатъчен за разрушаване на връзката с други частици. Средният скок не надвишава разстоянието между молекулите.
Когато обсъждаме какво е дифузия в течност, ние отбелязваме, че процесът зависи от температурата. С увеличаването му настъпва „разхлабване“на течната структура, в резултат на което се наблюдава рязко увеличаване наброят на скокове за единица време.
Дифузията в газове, течности и твърди вещества има някои отличителни характеристики. Например в твърдите тела механизмът е свързан с движението на атомите в кристалната решетка.
Характеристики на феномена
Дифузията в течност представлява практически интерес поради факта, че е придружена от изравняване на концентрацията на вещество в първоначално нехомогенна среда. Значително повече частици излизат от зони с висока концентрация.
Експерименти
Експерименти с течности показват, че дифузията е от особено значение в химическата кинетика. По време на химичен процес върху повърхността на реагентите или катализатора, този процес допринася за определянето на скоростта на отстраняване на реакционните продукти и добавянето на изходни реагенти.
Какво обяснява дифузията в течности? Молекулите на разтворителя са в състояние да проникнат през полупрозрачни мембрани, което води до осмотично налягане. Това явление е намерило приложение в химични и физични методи за разделяне на вещества.
Биологични системи
В този случай дифузионните модели могат да бъдат разгледани на примера на постъпване на кислород от въздуха в белите дробове, абсорбция на храносмилателни продукти от червата в кръвта, усвояване на минерални елементи от кореновите косми. Дифузията на йони се случва по време на генерирането на биоелектрични импулси от мускулните и нервните клетки.
Физически фактор, който влияеселективността на натрупването в клетките на тялото на определени елементи, е различната скорост на проникване на йони през клетъчните мембрани. Този процес може да се изрази със закона на Фик, като се заменя стойността на коефициента на дифузия с пропускливостта на мембраната и вместо градиента на концентрацията се използва разликата в стойностите от двете страни на мембраната. С дифузионното проникване на вода и газове в клетката, индикаторите за осмотично налягане извън и вътре в клетката се променят.
Анализирайки от какво зависи дифузията, отбелязваме, че има няколко вида на този процес. Простата форма е свързана със свободното пренасяне на йони и молекули към градиента на техния електрохимичен потенциал. Например, тази опция е подходяща за тези вещества, в които молекулите са с малък размер, например метилов алкохол, вода.
Ограниченият вариант предполага слаб трансфер на материя. Например, дори малки частици не могат да проникнат в клетка.
Страници с история
Дифузията е открита по време на разцвета на древногръцката култура. Демокрит и Анаксогор са били убедени, че всяко вещество се състои от атоми. Те обясниха разнообразието от вещества, обичайни в природата чрез връзките между отделните атоми. Те предполагаха, че тези частици могат да се смесват, за да образуват нови вещества. Сред основателите на молекулярно-кинетичната теория, която обяснява механизма на дифузия, особена роля играе Михаил Ломоносов. Те дадоха дефиниция на молекула, атом и обясниха механизма на разтваряне.
Експерименти
Опитът със захарта ви позволява да разберете всички характеристики на дифузията. Ако сложите парче захар в студен чай, на дъното на чашата постепенно ще се образува гъст сироп. Вижда се с просто око. След известно време сиропът ще се разпредели равномерно в обема на течността и вече няма да се вижда. Този процес протича спонтанно и не включва смесване на компонентите на разтвора. По същия начин ароматът на парфюм се разпространява из цялата стая.
Горните експерименти показват, че дифузията е спонтанен процес на проникване на молекули от едно вещество в друго. Разпространението на материята става във всички посоки, въпреки наличието на гравитация. Такъв процес е пряко потвърждение за постоянното движение на молекулите на материята.
Така в горния пример се извършва дифузия на захарни и водни молекули, което е придружено от равномерно разпределение на молекулите на органичната материя в целия обем на течността.
Експериментите правят възможно откриването на дифузия не само в течности, но и в газообразни вещества. Например, можете да инсталирате контейнер с етерни пари на везната. Постепенно чашите ще влязат в равновесие, тогава чашата с етер ще бъде по-тежка. Каква е причината за това явление?
С течение на времето молекулите на етера се смесват с въздушните частици и в стаята започва да се усеща специфична миризма. В курса по физика в гимназията се разглежда експеримент, при който учител разтваря зърно калиев перманганат (калиев перманганат) във вода. Отначало се вижда ясна траектория на движение на зърното,но постепенно цялото решение придобива равномерен нюанс. Въз основа на експеримента учителят обяснява характеристиките на дифузията.
За да идентифицирате факторите, които влияят върху скоростта на процеса в течности, можете да използвате вода с различни температури. В гореща течност процесът на взаимно смесване на молекулите се наблюдава много по-бързо, следователно има пряка връзка между стойността на температурата и скоростта на дифузия.
Заключение
Експериментите, провеждани с газове, течности и твърди вещества, правят възможно формулирането на законите на физиката, установяване на връзката между отделните количества.
В резултат на експериментите беше установен механизмът на взаимно проникване на частици от едно вещество в друго, доказано е хаотичността на тяхното движение. Емпирично е установено, че дифузията протича най-бързо в газообразните вещества. Този процес е от голямо значение за дивата природа, използва се в науката и технологиите.
Благодарение на това явление се поддържа хомогенният състав на земната атмосфера. В противен случай ще се наблюдава стратификацията на тропосферата на отделни газообразни вещества и тежкият въглероден диоксид, неподходящ за дишане, ще бъде най-близо до повърхността на нашата планета. До какво би довело това? Дивата природа просто ще престане да съществува.
Ролята на дифузията в растителния свят също е голяма. Буйната корона на дърветата може да се обясни с дифузионен обмен през повърхността на листата. В резултат на това се осъществява не само дишането, но и храненето на дървото. В момента в селското стопанствоизползва се листно подхранване на храсти и дървета, което включва пръскане на короната със специални химически съединения.
Именно по време на дифузия растението получава хранителни вещества от почвата. Физиологичните процеси, протичащи в живите организми, също са свързани с това явление. Например, балансът на солта е невъзможен без дифузия. Такива процеси са от голямо значение за снабдяването на езера и реки с кислород. Газът навлиза в дълбините на резервоара именно чрез дифузия. Ако такъв процес липсваше, животът вътре в резервоара би престанал да съществува.
Приемът на лекарства, които позволяват на човек да се предпази от патогени на различни заболявания и да подобри благосъстоянието, също се основава на дифузия. Това явление се използва при заваряването на метали, производството на захарен сок от чипс от цвекло и приготвянето на сладкарски изделия. Трудно е да се намери такъв клон на съвременната индустрия, където не се използва дифузия.
