Blant de mange fenomenene i fysikk er diffusjonsprosessen en av de enkleste og mest forståelige. Tross alt, hver morgen, når han tilbereder duftende te eller kaffe, har en person muligheten til å observere denne reaksjonen i praksis. La oss lære mer om denne prosessen og betingelsene for dens forekomst i forskjellige aggregerte tilstander.
Hva er diffusjon
Dette ordet refererer til penetrering av molekyler eller atomer av ett stoff mellom lignende strukturelle enheter av et annet. I dette tilfellet utjevnes konsentrasjonen av penetrerende forbindelser.
Denne prosessen ble først beskrevet i detalj av den tyske vitenskapsmannen Adolf Fick i 1855
Navnet på dette begrepet ble dannet fra det latinske verbale substantivet diffusio (interaksjon, spredning, distribusjon).
Diffusjon i en væske
Prosessen som vurderes kan forekomme med stoffer i alle tre aggregeringstilstander: gassformig, flytende og fast. For praktiske eksempler på dette, se bare påkjøkken.
Komfyrkokt borsjtsj er en av dem. Under påvirkning av temperatur reagerer molekylene av glukosin betanin (et stoff som skyldes at rødbetene har en så rik skarlagensfarge) jevnt med vannmolekyler, noe som gir den en unik burgunderfarge. Dette tilfellet er et eksempel på diffusjon i væsker.
I tillegg til borsjtsj, kan denne prosessen også sees i et glass te eller kaffe. Begge disse drikkene har en så ensartet rik nyanse på grunn av det faktum at teblader eller kaffepartikler, oppløses i vann, jevnt fordelt mellom molekylene og farger det. Handlingen til alle populære instantdrinker på nittitallet er bygget på samme prinsipp: Yupi, Invite, Zuko.
Interpenetrering av gasser
Fortsetter du å lete videre etter manifestasjoner av den aktuelle prosessen på kjøkkenet, er det verdt å snuse og nyte den behagelige aromaen som kommer fra en bukett med friske blomster på spisebordet. Hvorfor skjer dette?
Luktbærende atomer og molekyler er i aktiv bevegelse og er som et resultat blandet med partikler som allerede er i luften, og er ganske jevnt spredt i volumet i rommet.
Dette er en manifestasjon av diffusjon i gasser. Det er verdt å merke seg at selve innåndingen av luft også hører til prosessen som vurderes, samt den appetittvekkende lukten av nykokt borsjtsj på kjøkkenet.
Diffusjon i faste stoffer
Kjøkkenbordet med blomster er dekket med en knallgul duk. Hun fikk en lignende nyanse takket værediffusjonens evne til å passere gjennom faste stoffer.
Prosessen med å gi lerretet en jevn nyanse foregår i flere trinn som følger.
- Partikler av gult pigment diffunderte i blekktanken mot det fibrøse materialet.
- De ble deretter absorbert av den ytre overflaten av det fargede stoffet.
- Neste trinn var igjen å diffundere fargestoffet, men denne gangen inn i fibrene på nettet.
- I finalen festet stoffet pigmentpartiklene, og ble dermed farget.
Diffusjon av gasser i metaller
Vanligvis, når vi snakker om denne prosessen, vurder interaksjonen mellom stoffer i samme aggregeringstilstand. For eksempel diffusjon i faste stoffer, faste stoffer. For å bevise dette fenomenet gjennomføres et eksperiment med to metallplater presset mot hverandre (gull og bly). Interpenetreringen av molekylene deres tar ganske lang tid (en millimeter på fem år). Denne prosessen brukes til å lage uvanlige smykker.
Forbindelser i forskjellige aggregattilstander er imidlertid også i stand til å diffundere. For eksempel er det diffusjon av gasser i faste stoffer.
Under eksperimentene ble det bevist at en slik prosess foregår i atomtilstand. For å aktivere den trenger du som regel en betydelig økning i temperatur og trykk.
Et eksempel på slik gassdiffusjon i faste stoffer er hydrogenkorrosjon. Det viser seg i situasjoner hvorHydrogenatomer (Н2) som har oppstått i løpet av en eller annen kjemisk reaksjon under påvirkning av høye temperaturer (fra 200 til 650 grader Celsius) trenger inn mellom de strukturelle partiklene i metallet.
I tillegg til hydrogen kan diffusjon av oksygen og andre gasser også forekomme i faste stoffer. Denne prosessen, umerkelig for øyet, gjør mye skade, fordi metallstrukturer kan kollapse på grunn av den.
Diffusjon av væsker i metaller
Men ikke bare gassmolekyler kan trenge inn i faste stoffer, men også væsker. Som i tilfellet med hydrogen, fører denne prosessen oftest til korrosjon (når det gjelder metaller).
Et klassisk eksempel på væskediffusjon i faste stoffer er korrosjon av metaller under påvirkning av vann (H2O) eller elektrolyttløsninger. For de fleste er denne prosessen mer kjent under navnet rusting. I motsetning til hydrogenkorrosjon, må den i praksis påtreffes mye oftere.
Betingelser for å akselerere diffusjon. Diffusjonskoeffisient
Etter å ha behandlet stoffene som prosessen under vurdering kan forekomme i, er det verdt å lære om betingelsene for at den oppstår.
For det første avhenger diffusjonshastigheten av den aggregerte tilstanden til de interagerende stoffene. Jo større tetthet av materialet som reaksjonen skjer i, jo langsommere er hastigheten.
I denne forbindelse vil diffusjon i væsker og gasser alltid være mer aktiv enn i faste stoffer.
For eksempel hvis krystallenekaliumpermanganat KMnO4 (kaliumpermanganat) kast i vann, de vil gi det en vakker bringebærfarge om noen minutter Farge. Men hvis du strø krystaller av KMnO4 på et stykke is og legger det hele i fryseren, etter noen timer, vil kaliumpermanganat ikke være i stand til å fargelegge den frosne H 2O.
Fra forrige eksempel kan det trekkes en konklusjon til om diffusjonsforholdene. I tillegg til aggregeringstilstanden, påvirker temperaturen også hastigheten for interpenetrering av partikler.
For å vurdere avhengigheten av prosessen som vurderes av den, er det verdt å lære om et konsept som diffusjonskoeffisienten. Dette er navnet på den kvantitative egenskapen til hastigheten.
I de fleste formler er det merket med stor latinsk bokstav D og i SI-systemet måles det i kvadratmeter per sekund (m² / s), noen ganger i centimeter per sekund (cm2 /m).
Diffusjonskoeffisienten er lik mengden materie spredt gjennom en enhetsoverflate over en tidsenhet, forutsatt at tetthetsforskjellen på begge flatene (plassert i en avstand lik en lengdeenhet) er lik én. Kriteriene som bestemmer D er egenskapene til stoffet som selve partikkelspredningsprosessen foregår i, og deres type.
Koeffisientens avhengighet av temperatur kan beskrives ved hjelp av Arrhenius-ligningen: D=D0exp(-E/TR).
I den betraktede formelen er E minimumsenergien som kreves for å aktivere prosessen; T - temperatur (målt i Kelvin, ikke Celsius); R-gasskonstant karakteristikk for en ideell gass.
I tillegg til alt det ovennevnte, påvirkes diffusjonshastigheten i faste stoffer, væsker i gasser av trykk og stråling (induktiv eller høyfrekvent). I tillegg avhenger mye av tilstedeværelsen av et katalytisk stoff, ofte fungerer det som en trigger for starten av aktiv spredning av partikler.
diffusjonsligning
Dette fenomenet er en spesiell form for den partielle differensialligningen.
Målet er å finne avhengigheten av konsentrasjonen av et stoff av størrelsen og koordinatene til rommet (der det diffunderer), så vel som tid. I dette tilfellet karakteriserer den gitte koeffisienten permeabiliteten til mediet for reaksjonen.
Oftest skrives diffusjonsligningen som følger: ∂φ (r, t)/∂t=∇ x [D(φ, r) ∇ φ (r, t)].
I den er φ (t og r) tettheten til spredningsstoffet ved punkt r ved tidspunkt t. D (φ, r) - generalisert diffusjonskoeffisient ved tetthet φ ved punkt r.
∇ - vektordifferensialoperator hvis komponenter er partielle deriverte i koordinater.
Når diffusjonskoeffisienten er tetthetsavhengig, er ligningen ikke-lineær. Når ikke – lineær.
Etter å ha vurdert definisjonen av diffusjon og egenskapene til denne prosessen i forskjellige miljøer, kan det bemerkes at den har både positive og negative sider.
