Alustame sellest, et vedelik on agregatsiooni vahepealne olek. Kriitilisel keemistemperatuuril sarnaneb see gaasidele ja madalatel temperatuuridel ilmnevad tahke ainega sarnased omadused. Vedelikul ei ole ideaalset mudelit, mis raskendab oluliselt selle tasakaaluliste termodünaamiliste omaduste, külmumispunkti, viskoossuse, difusiooni, soojusjuhtivuse, pindpinevuse, entroopia, entalpia kirjeldamist.
Definitsioon
Mis on difusioon? See on keskkonna osakeste levimine, jaotumine, liikumine, mis viib aine ülekandumiseni, tasakaalukontsentratsioonide loomiseni. Väliste mõjude puudumisel määrab selle protsessi osakeste soojusliikumine. Sel juhul on difusiooniprotsess otseselt proportsionaalne kontsentratsiooniga. Difusioonivoog muutub sarnaselt kontsentratsioonigradiendiga.
Sordid
Kui difusioon vedelikus toimub koos temperatuuri muutumisega, nimetatakse seda termiliseks difusiooniks, elektriväljas - elektrodifusiooniks.
Suurte osakeste liikumise protsess vedelikus või gaasis toimub allBrowni liikumise seadused.
Voolu omadused
Gaasides, vedelikes ja tahketes ainetes difusioon toimub erineva kiirusega. Osakeste soojusliikumise olemuse erinevuste tõttu erinevates keskkondades on protsessi maksimaalne kiirus gaasides ja minimaalne kiirus tahketes ainetes.
Osakeste trajektoor on katkendlik joon, kuna suund ja kiirus muutuvad perioodiliselt. Korrastatud liikumise tõttu täheldatakse osakese järkjärgulist eemaldamist algsest asendist. Selle nihkumine mööda sirgjoont on palju lühem kui tee, mis kulgeb mööda katkenud rada.
Ficki seadus
Difusioon vedelikus järgib kahte Ficki seadust:
- difusioonivoo tihedus on otseselt võrdeline difusioonikoefitsiendiga kontsentratsiooniga;
- Difusioonivoo tiheduse muutumise kiirus on otseselt võrdeline kontsentratsiooni muutumise kiirusega ja sellel on vastupidine suund.
Difusiooni vedelikus iseloomustavad molekulide hüpped ühest tasakaaluasendist teise. Iga sellist hüpet täheldatakse, kui molekulile antakse energiat koguses, mis on piisav sideme katkestamiseks teiste osakestega. Keskmine hüpe ei ületa molekulidevahelist kaugust.
Arutades, mis on difusioon vedelikus, märgime, et protsess sõltub temperatuurist. Selle suurenemisega toimub vedela struktuuri "lõdvenemine", mille tagajärjel suureneb järsulthüpete arv ajaühiku kohta.
Gaasides, vedelikes ja tahketes ainetes difusioonil on mõned iseloomulikud omadused. Näiteks tahketes ainetes on mehhanism seotud aatomite liikumisega kristallvõres.
Nähtuse tunnused
Difusioon vedelikus pakub praktilist huvi, kuna sellega kaasneb aine kontsentratsiooni ühtlustumine algselt ebahomogeenses keskkonnas. Suure kontsentratsiooniga piirkondadest väljub oluliselt rohkem osakesi.
Katsed
Vedelikega tehtud katsed on näidanud, et difusioon on keemilises kineetikas eriti oluline. Reagentide või katalüsaatori pinnal toimuva keemilise protsessi käigus aitab see protsess kaasa reaktsioonisaaduste eemaldamise kiiruse määramisele ja esialgsete reaktiivide lisamisele.
Mis seletab difusiooni vedelikes? Lahusti molekulid on võimelised tungima läbi poolläbipaistvate membraanide, mille tulemuseks on osmootne rõhk. See nähtus on leidnud rakendust ainete eraldamise keemilistes ja füüsikalistes meetodites.
Bioloogilised süsteemid
Antud juhul võib difusioonimudeleid käsitleda näiteks õhuhapniku sisenemise kopsudesse, seedeproduktide imendumise soolestikust verre, mineraalsete elementide imendumise näitel juurekarvadest. Ioonide difusioon toimub lihas- ja närvirakkude bioelektriliste impulsside tekitamisel.
Füüsiline tegur, mis mõjutabteatud elementide keharakkudesse kogunemise selektiivsus on ioonide erinev läbitungimise kiirus läbi rakumembraanide. Seda protsessi saab väljendada Ficki seadusega, asendades difusioonikoefitsiendi väärtuse membraani läbilaskvusega ja kontsentratsiooni gradiendi asemel kasutada väärtuste erinevust membraani mõlemal küljel. Vee ja gaaside difusioonilise tungimisega rakku muutuvad osmootse rõhu indikaatorid raku sees ja väljas.
Analüüsides, millest difusioon sõltub, märgime, et seda protsessi on mitut tüüpi. Lihtne vorm on seotud ioonide ja molekulide vaba ülekandega nende elektrokeemilise potentsiaali gradiendi suunas. Näiteks sobib see valik neile ainetele, mille molekulid on väikese suurusega, näiteks metüülalkohol, vesi.
Piiratud variant eeldab aine nõrka ülekannet. Näiteks ei saa isegi väikesed osakesed rakku tungida.
Ajaloolehed
Difusioon avastati Vana-Kreeka kultuuri õitseajal. Demokritos ja Anaxogoras olid veendunud, et iga aine koosneb aatomitest. Nad selgitasid looduses levinud ainete mitmekesisust üksikute aatomite vaheliste ühendustega. Nad eeldasid, et need osakesed võivad seguneda uute ainete moodustamiseks. Difusioonimehhanismi selgitava molekulaar-kineetilise teooria rajajate seas mängis erilist rolli Mihhail Lomonosov. Nad andsid definitsiooni molekulile, aatomile ja selgitasid lahustumismehhanismi.
Katsed
Kogemus suhkruga võimaldab teil mõista kõiki difusiooni tunnuseid. Kui panna tükike suhkrut külma tee sisse, tekib tassi põhja järk-järgult paks siirup. See on palja silmaga nähtav. Mõne aja pärast jaotub siirup ühtlaselt kogu vedeliku mahus ega ole enam nähtav. See protsess kulgeb spontaanselt ega hõlma lahuse komponentide segamist. Samamoodi levib parfüümi aroom kogu ruumi.
Ül altoodud katsed näitavad, et difusioon on iseeneslik protsess, mille käigus ühe aine molekulid tungivad teise ainesse. Aine levib igas suunas, hoolimata gravitatsiooni olemasolust. Selline protsess on otsene kinnitus aine molekulide pidevast liikumisest.
Seega viiakse ül altoodud näites läbi suhkru- ja veemolekulide difusioon, millega kaasneb orgaanilise aine molekulide ühtlane jaotumine kogu vedeliku mahus.
Katsed võimaldavad tuvastada difusiooni mitte ainult vedelikes, vaid ka gaasilistes ainetes. Näiteks võite kaalule paigaldada anuma eetri auruga. Tasapisi jõuavad tassid tasakaalu, siis on eetriklaas raskem. Mis on selle nähtuse põhjus?
Aja jooksul segunevad eetri molekulid õhuosakestega ja ruumis hakkab tunda andma spetsiifilist lõhna. Gümnaasiumi füüsikakursusel vaadeldakse katset, mille käigus õpetaja lahustab vees kaaliumpermanganaadi (kaaliumpermanganaadi) tera. Algul on näha selge teravilja liikumise trajektoor,kuid järk-järgult omandab kogu lahus ühtlase varjundi. Eksperimendi põhjal selgitab õpetaja difusiooni tunnuseid.
Vedelikes protsesside kiirust mõjutavate tegurite tuvastamiseks võite kasutada erineva temperatuuriga vett. Kuumas vedelikus täheldatakse molekulide vastastikust segunemist palju kiiremini, seetõttu on temperatuuri väärtuse ja difusioonikiiruse vahel otsene seos.
Järeldus
Gaaside, vedelike ja tahkete ainetega läbiviidud katsed võimaldavad sõnastada füüsikaseadusi, määrata seoseid üksikute suuruste vahel.
Just katsete tulemusena pandi paika ühe aine osakeste vastastikuse tungimise mehhanism teise ainesse, tõestati nende liikumise kaootilisus. Empiiriliselt leiti, et difusioon toimub kõige kiiremini gaasilistes ainetes. See protsess on eluslooduse jaoks väga oluline, seda kasutatakse teaduses ja tehnoloogias.
Tänu sellele nähtusele säilib Maa atmosfääri homogeenne koostis. Vastasel juhul täheldataks troposfääri kihistumist eraldi gaasilisteks aineteks ja meie planeedi pinnale oleks kõige lähemal hingamiseks kõlbmatu raske süsihappegaas. Milleni see viiks? Metsloomad lakkaksid lihts alt olemast.
Difusiooni roll taimemaailmas on samuti suur. Puude lopsakas võra on seletatav difusioonivahetusega läbi lehtede pinna. Selle tulemusena ei toimu mitte ainult hingamine, vaid ka puu toitumine. Hetkel põllumajanduseskasutatakse põõsaste ja puude lehtede söötmist, mille käigus pritsitakse võra spetsiaalsete keemiliste ühenditega.
Just difusiooni ajal saab taim mullast toitaineid. Selle nähtusega on seotud ka elusorganismides toimuvad füsioloogilised protsessid. Näiteks soola tasakaal on võimatu ilma difusioonita. Sellistel protsessidel on suur tähtsus järvede ja jõgede hapnikuga varustamisel. Gaas siseneb reservuaari sügavustesse täpselt difusiooni teel. Kui sellist protsessi ei toimuks, lakkab elu veehoidlas olemast.
Difusioonil põhineb ka selliste ravimite tarbimine, mis võimaldavad inimesel end kaitsta erinevate haiguste patogeenide eest ja parandada enesetunnet. Seda nähtust kasutatakse metallide keevitamisel, peedikrõpsudest suhkrumahla valmistamisel ja kondiitritoodete valmistamisel. Sellist moodsa tööstuse haru, kus difusiooni ei kasutata, on raske leida.
