ДИФФУЗИЯ Сделала студентка группы 22БИОп: Стеблева Е.Д. Преподаватель: Тараканов А.В. Определение Само слово «диффузия» латинского происхождения – «diffusio» в переводе с латыни означает «распространение, рассеивание». В физике под диффузией подразумевается процесс взаимопроникновения микрочастиц при соприкосновении разных материалов. Академическое определение того, что такое диффузия, звучит следующим образом: «Диффузия – это взаимное проникновение молекул одного вещества в межмолекулярные промежутки другого вещества вследствие их хаотичного движения и столкновения друг с другом». Причины возникновения явления Причиной возникновения диффузии является тепловое движение частиц (атомов, молекул, ионов и т. д.). Это называется Броуновским движением. Чтобы более детально понять, как работают механизмы диффузии, рассмотрим это явление на конкретном примере. Если взять перманганат калия (в народе более известен как марганцовка) (KMnO4) и растворить в воде (H2O), то марганцовка в результате диссоциации распадется на K+ и MnO4-. Также важно заметить что молекула воды поляризирована и существует в виде сцепленных ионов H+ – OH-. Из-за растворения марганцовки в воде произойдет хаотическое перемещение ионов обоих веществ, вследствие чего сцепленные ионы воды поменяют свой цвет и освободят место для других, еще не реагировавших ионов. Вода поменяет свой окрас и получит специфические свойства. Между водой и марганцовкой совершится диффузия. Вот так этот процесс выглядит схематически. Причем движимые частицы во время диффузии, всегда распространяются равномерно по всему предоставленному объему. Сам процесс диффузии занимает определенное время. Также важно знать, что явление диффузии происходит далеко не со всеми веществами. Например, если воду перемешать не с марганцовкой, а с маслом, то диффузии между ними не будет, так как молекулы масла электрически нейтральны. Также вода с маслом имеют разную плотность. Образованию какого-то соединения с молекулами воды помешают сильные связи внутри молекулы масла. Масло Еще стоит заметить, что скорость диффузии значительно увеличится при увеличении температуры, что вполне логично, ведь с увеличением температуры возрастет скорость движения частиц внутри вещества и как следствие, повышается шанс их проникновения в молекулы другого вещества. Вода Формула Процесс диффузии в двухкомпонентной системе записывается при помощи закона Фика, и соответствующего уравнения: В этом уравнении J – плотность материала, D – коэффициент диффузии, а ac/dx – градиент концентрации двух веществ. Коэффициентом диффузии называют физическую величину, которая численно равна количеству диффундирующего вещества, которое проникает за единицу времени через единицу поверхности, если разность плотностей на двух поверхностях, находящихся на расстоянии равном единице длины, равна единице. Важно заметить, что коэффициент диффузии зависит от температуры. В твердых телах В твердых телах диффузия происходит очень медленно, если вообще происходит. Ведь для твердых тел характерно наличие кристаллической решетки, а все частицы расположены упорядочено. Примером диффузии твердых тел может быть золото и свинец. Расположенные на расстояние 1 метра друг от друга, при комнатной температуре в 20 С, эти вещества будут понемногу проникать друг в друга, но будет это все идти очень медленно, подобная диффузия станет заметной не ранее чем через 4-5 лет. В жидкостях Скорость протекания диффузии в жидкостях в разы выше, нежели в твердых телах. Связи между частицами в жидкости гораздо слабее (обычно их энергии хватает максимум на образование капель), и взаимному проникновению частиц в молекулы двух веществ ничто не мешает. Правда то, как быстро будет проходить диффузия, зависит от характера и консистенции жидкостей, в более густых растворах она происходит медленнее, ведь чем гуще жидкость, тем более сильные в ней связи между молекулами и тем труднее молекулам и частицам проникать друг в друга. Например, смешивание двух жидких металлов может занять несколько часов, в то время как смешивание воды и марганцовки (из примера ранее) осуществляется за минуту. В газах В газах диффузия происходит еще быстрее, чем в жидкости, связи между частицами газообразных веществ практически отсутствуют, и никак не сцепленные частицы легко перемешиваются друг с другом, проникая в молекулы других газов. Небольшие коррективы при диффузии газов может вносить разве только гравитация. Примеры в окружающем мире Благодаря диффузии: ◦ поддерживается однородный состав атмосферного воздуха вблизи поверхности нашей планеты, ◦ происходит питание растений, ◦ осуществляется дыхание человека и животных. Значимый биологический процесс – фотосинтез осуществляется, в том числе и при помощи диффузии: как мы знаем, благодаря энергии солнечного света вода разлагается хлорофиллами на составляющие, кислород, который выделяется при этом, попадает в атмосферу и поглощается всеми живыми организмами. Так вот, и сам процесс поглощения кислорода человеком и животными, и обмен веществ у растений, все это поддерживается диффузией, без которой не могла бы существовать сама Жизнь. Но это в глобальном плане, в более простых вещах, мы можем наблюдать диффузию: ◦ В саду, где цветы источают свой аромат благодаря диффузии (их частицы перемешиваются с частицами окружающего воздуха). ◦ Растворяя сахар в чае или кофе, чай или кофе становится сладким благодаря диффузии. ◦ При резке лука у вас начнут слезиться глаза, происходит это тоже по причине диффузии, молекулы лука смешиваются с молекулами воздуха и ваши глаза на это реагируют. Примеры в окружающем мире Аромат цветов в воздухе Атака нарезанного лука на глаза Растворение чая и сахара в воде Однородный состав атмосферы Диффузионные процессы и их использование в технологиях Благодаря диффузии, мы можем сваривать, спаивать, хромировать металлы. В промышленности ее используют также для получения сахара, окрашивании тканей, шерсти. Диффузия помогает в быту, мы используем ее при засолке, варке варенья, стирке вещей. Диффузия имеет огромное значение для нашей жизни: кислород из воздуха, который мы вдыхаем, попадает в легкие, проникает в кровь и разносится по всему организму, ко всем его органам и тканям. Диффузия служит основой многих распространенных технических операций: спекания порошков, химико-термической обработки металлов, гомогенизации сплавов, металлизации и сварки материалов, дубления кожи и меха, крашения волокон; перемещения газов.
