Füüsika arvukate nähtuste hulgas on difusiooniprotsess üks lihtsamaid ja arusaadavamaid. Lõppude lõpuks on inimesel igal hommikul lõhnavat teed või kohvi valmistades võimalus seda reaktsiooni praktikas jälgida. Lisateavet selle protsessi ja selle esinemise tingimuste kohta erinevates koondolekutes.
Mis on difusioon
See sõna viitab ühe aine molekulide või aatomite tungimisele teise aine sarnaste struktuuriüksuste vahele. Sel juhul on läbitungivate ühendite kontsentratsioon ühtlustunud.
Seda protsessi kirjeldas esmakordselt üksikasjalikult saksa teadlane Adolf Fick aastal 1855
Selle termini nimi on moodustatud ladinakeelsest verbaalsest nimisõnast diffusio (interaktsioon, hajumine, levik).
Difusioon vedelikus
Vaatatav protsess võib toimuda ainetega, mis on kõigis kolmes agregatsiooni olekus: gaasiline, vedel ja tahke. Selle praktiliste näidete jaoks vaadake lihts altköök.
Pliitil keedetud borš on üks neist. Temperatuuri mõjul reageerivad glükosiin-betaniini (aine, mille tõttu peedil on nii rikkalik helepunane värvus) molekulid ühtlaselt veemolekulidega, andes sellele ainulaadse Burgundia tooni. See juhtum on näide difusioonist vedelikes.
Lisaks boršile on seda protsessi näha ka tee- või kohviklaasis. Mõlemal joogil on ühtlane rikkalik toon tänu sellele, et vees lahustuvad teelehed või kohviosakesed jaotuvad selle molekulide vahel ühtlaselt, värvides seda. Kõigi üheksakümnendate populaarsete lahustuvate jookide tegevus on üles ehitatud samale põhimõttele: Yupi, Invite, Zuko.
Gaaside läbitungimine
Jätkates köögis kõnealuse protsessi ilmingute otsimist, tasub nuusutada ja nautida söögilaual värskete lillede kimbust eralduvat meeldivat aroomi. Miks see juhtub?
Lõhna kandvad aatomid ja molekulid on aktiivses liikumises ning segunevad seetõttu juba õhus olevate osakestega ning on ruumis üsna ühtlaselt hajutatud.
See on gaaside difusiooni ilming. Väärib märkimist, et vaadeldava protsessi juurde kuulub ka õhu sissehingamine, aga ka värskelt keedetud borši isuäratav lõhn köögis.
Difusioon tahkistes
Lilledega köögilaud on kaetud erekollase laudlinaga. Sarnase tooni sai ta tänudifusiooni võime läbida tahkeid aineid.
Luuendile ühtse varjundi andmise protsess toimub mitmes etapis järgmiselt.
- Kollase pigmendi osakesed hajusid tindimahutis kiulise materjali suunas.
- Neid neeldusid seejärel värvitud kanga välispind.
- Järgmine samm oli jällegi värvaine hajutamine, kuid seekord võrgu kiududesse.
- Finaalis fikseeris kangas pigmendiosakesed, muutes nii värviliseks.
Gaaside difusioon metallides
Tavaliselt mõeldakse sellest protsessist rääkides samas agregatsiooniseisundis olevate ainete koostoimele. Näiteks difusioon tahketes ainetes, tahked ained. Selle nähtuse tõestamiseks tehakse katse kahe teineteise vastu surutud metallplaadiga (kuld ja plii). Nende molekulide läbitungimine võtab üsna kaua aega (üks millimeeter viie aasta jooksul). Seda protsessi kasutatakse ebatavaliste ehete valmistamiseks.
Samas on ka erinevates agregaatide olekutes ühendid võimelised difundeeruma. Näiteks toimub gaaside difusioon tahketes ainetes.
Katsete käigus tõestati, et selline protsess toimub aatomi olekus. Selle aktiveerimiseks on reeglina vaja temperatuuri ja rõhku oluliselt tõsta.
Taolise gaasilise difusiooni näide tahkestes ainetes on vesiniku korrosioon. See avaldub olukordades, kusVesinikuaatomid (Н2), mis on tekkinud mõne keemilise reaktsiooni käigus kõrgete temperatuuride (200–650 kraadi Celsiuse järgi) mõjul, tungivad metalli struktuursete osakeste vahele.
Lisaks vesinikule võib tahketes ainetes toimuda ka hapniku ja muude gaaside difusioon. See silmale märkamatu protsess teeb palju kurja, sest metallkonstruktsioonid võivad selle tõttu kokku kukkuda.
Vedelike difusioon metallides
Kuid mitte ainult gaasimolekulid ei suuda tungida tahketesse ainetesse, vaid ka vedelikesse. Nagu vesiniku puhul, põhjustab see protsess enamasti korrosiooni (kui tegemist on metallidega).
Klassikaline näide vedelike difusioonist tahketes ainetes on metallide korrosioon vee (H2O) või elektrolüütide lahuste mõjul. Enamiku jaoks on see protsess tuttavam roostetamise nime all. Erinev alt vesiniku korrosioonist tuleb sellega praktikas palju sagedamini kokku puutuda.
Tingimused difusiooni kiirendamiseks. Difusioonikoefitsient
Olles käsitletud aineid, milles vaadeldav protsess võib toimuda, tasub tutvuda selle toimumise tingimustega.
Esiteks oleneb difusioonikiirus interakteeruvate ainete agregaatolekust. Mida suurem on materjali tihedus, milles reaktsioon toimub, seda aeglasem on selle kiirus.
Sellega seoses on difusioon vedelikes ja gaasides alati aktiivsem kui tahketes ainetes.
Näiteks kui kristallidkaaliumpermanganaat KMnO4 (kaaliumpermanganaat) visa vette, need annavad sellele kauni vaarika värvi mõne minuti pärast Värv. Kui aga puistate jäätükile KMnO4 kristallid ja paned kõik sügavkülma, hakkab mõne tunni pärast kaaliumpermanganaat. ei saa täielikult värvida külmunud H 2O.
Eelmisest näitest saab teha veel ühe järelduse difusioonitingimuste kohta. Lisaks agregatsiooni olekule mõjutab temperatuur ka osakeste läbitungimise kiirust.
Selleks, et arvestada vaadeldava protsessi sõltuvust sellest, tasub õppida tundma sellist mõistet nagu difusioonikoefitsient. See on selle kiiruse kvantitatiivse tunnuse nimi.
Enamikus valemites on see tähistatud suure ladina tähega D ja SI-süsteemis mõõdetakse seda ruutmeetrites sekundis (m² / s), mõnikord sentimeetrites sekundis (cm2 /m).
Difusioonikoefitsient võrdub aine kogusega, mis on hajutatud läbi pinnaühiku ajaühiku jooksul, eeldusel, et tiheduse erinevus mõlemal pinnal (mis asuvad ühiku pikkusega võrdsel kaugusel) on võrdne ühega. D määravad kriteeriumid on aine omadused, milles osakeste hajumise protsess ise toimub, ja nende tüüp.
Koefitsiendi sõltuvust temperatuurist saab kirjeldada Arrheniuse võrrandi abil: D=D0exp(-E/TR).
Vaadeldavas valemis on E minimaalne energia, mis on vajalik protsessi aktiveerimiseks; T - temperatuur (mõõdetakse kelvinites, mitte Celsiuse kraadides); R-ideaalse gaasi gaasikonstant.
Lisaks kõigele eelnevale mõjutab difusioonikiirust tahketes ainetes, vedelikes gaasides rõhk ja kiirgus (induktiivne või kõrgsageduslik). Lisaks sõltub palju katalüütilise aine olemasolust, sageli toimib see osakeste aktiivse dispersiooni käivitajana.
Difusioonivõrrand
See nähtus on osadiferentsiaalvõrrandi erivorm.
Selle eesmärk on leida aine kontsentratsiooni sõltuvus ruumi suurusest ja koordinaatidest (milles see hajub), aga ka ajast. Sel juhul iseloomustab antud koefitsient reaktsioonikeskkonna läbilaskvust.
Kõige sagedamini kirjutatakse difusioonivõrrand järgmiselt: ∂φ (r, t)/∂t=∇ x [D(φ, r) ∇ φ (r, t)].
Selles on φ (t ja r) hajuva aine tihedus punktis r ajahetkel t. D (φ, r) - üldistatud difusioonikoefitsient tiheduse φ juures punktis r.
∇ - vektori diferentsiaaloperaator, mille komponendid on koordinaatides osatuletised.
Kui difusioonikoefitsient sõltub tihedusest, on võrrand mittelineaarne. Kui mitte – lineaarne.
Võttes arvesse difusiooni määratlust ja selle protsessi iseärasusi erinevates keskkondades, võib märkida, et sellel on nii positiivseid kui ka negatiivseid külgi.
