Wśród wielu zjawisk fizycznych proces dyfuzji jest jednym z najprostszych i najbardziej zrozumiałych. Przecież każdego ranka, przygotowując sobie pachnącą herbatę lub kawę, człowiek ma okazję zaobserwować tę reakcję w praktyce. Dowiedzmy się więcej o tym procesie i warunkach jego występowania w różnych stanach skupienia.
Co to jest dyfuzja
To słowo odnosi się do przenikania cząsteczek lub atomów jednej substancji między podobnymi jednostkami strukturalnymi innej. W tym przypadku stężenie związków penetrujących zostaje wyrównane.
Ten proces został po raz pierwszy szczegółowo opisany przez niemieckiego naukowca Adolfa Ficka w 1855 roku
Nazwa tego terminu powstała z łacińskiego rzeczownika czasownikowego diffusio (interakcja, rozproszenie, rozmieszczenie).
Dyfuzja w cieczy
Rozważany proces może zachodzić z substancjami we wszystkich trzech stanach skupienia: gazowym, ciekłym i stałym. Aby zobaczyć praktyczne przykłady tego, spójrz nakuchnia.
Barszcz gotowany na piecu jest jednym z nich. Pod wpływem temperatury cząsteczki glukozyny betaniny (substancji, dzięki której buraki mają tak bogatą szkarłatną barwę) równomiernie reagują z cząsteczkami wody, nadając jej niepowtarzalny burgundowy odcień. Ten przypadek jest przykładem dyfuzji w cieczach.
Oprócz barszczu proces ten można również zaobserwować w szklance herbaty lub kawy. Oba te napoje mają tak jednolity bogaty odcień dzięki temu, że liście herbaty lub cząsteczki kawy, rozpuszczając się w wodzie, równomiernie rozprowadzają się między jej cząsteczkami, barwiąc je. Akcja wszystkich popularnych napojów rozpuszczalnych lat dziewięćdziesiątych opiera się na tej samej zasadzie: Yupi, Invite, Zuko.
Wzajemna penetracja gazów
Kontynuując dalsze poszukiwania przejawów omawianego procesu w kuchni, warto powąchać i cieszyć się przyjemnym aromatem emanującym z bukietu świeżych kwiatów na stole. Dlaczego tak się dzieje?
Atomy i cząsteczki przenoszące zapach są w aktywnym ruchu, w wyniku czego mieszają się z cząsteczkami znajdującymi się już w powietrzu i są dość równomiernie rozproszone w pomieszczeniu.
Jest to przejaw dyfuzji gazów. Warto zauważyć, że do rozważanego procesu należy również samo wdychanie powietrza, a także apetyczny zapach świeżo ugotowanego barszczu w kuchni.
Dyfuzja w ciałach stałych
Stół kuchenny z kwiatami przykryty jest jasnożółtym obrusem. Podobny odcień otrzymała dziękizdolność przenikania dyfuzji przez ciała stałe.
Proces nadawania płótna jednolitego odcienia odbywa się w kilku następujących etapach.
- Cząstki żółtego pigmentu rozproszyły się w zbiorniku z atramentem w kierunku materiału włóknistego.
- Zostały one następnie wchłonięte przez zewnętrzną powierzchnię barwionego materiału.
- Następnym krokiem było ponowne rozprowadzenie barwnika, ale tym razem we włóknach sieci.
- W finale tkanina utrwaliła cząsteczki pigmentu, dzięki czemu stała się kolorowa.
Dyfuzja gazów w metalach
Zwykle mówiąc o tym procesie, należy wziąć pod uwagę interakcję substancji w tym samym stanie skupienia. Na przykład dyfuzja w ciałach stałych, ciałach stałych. Aby udowodnić to zjawisko, przeprowadza się eksperyment z dwiema metalowymi płytkami dociśniętymi do siebie (złoto i ołów). Wzajemne przenikanie się ich cząsteczek trwa dość długo (jeden milimetr na pięć lat). Ten proces służy do tworzenia niezwykłej biżuterii.
Jednak związki w różnych stanach skupienia są również zdolne do dyfuzji. Na przykład występuje dyfuzja gazów w ciałach stałych.
Podczas eksperymentów udowodniono, że taki proces zachodzi w stanie atomowym. Aby go aktywować, z reguły potrzebny jest znaczny wzrost temperatury i ciśnienia.
Przykładem takiej dyfuzji gazowej w ciałach stałych jest korozja wodorowa. Przejawia się w sytuacjach, gdyAtomy wodoru (Н2), które powstały w wyniku jakiejś reakcji chemicznej pod wpływem wysokich temperatur (od 200 do 650 stopni Celsjusza) przenikają pomiędzy cząsteczki strukturalne metalu.
Oprócz wodoru w ciałach stałych może również zachodzić dyfuzja tlenu i innych gazów. Proces ten, niezauważalny dla oka, wyrządza wiele szkód, ponieważ metalowe konstrukcje mogą się z tego powodu zawalić.
Dyfuzja cieczy w metalach
Jednak nie tylko cząsteczki gazu mogą przenikać do ciał stałych, ale także do cieczy. Podobnie jak w przypadku wodoru, najczęściej proces ten prowadzi do korozji (w przypadku metali).
Klasycznym przykładem dyfuzji cieczy w ciałach stałych jest korozja metali pod wpływem wody (H2O) lub roztworów elektrolitów. Dla większości ten proces jest bardziej znany pod nazwą rdzewienia. W przeciwieństwie do korozji wodorowej, w praktyce należy się z nią spotykać znacznie częściej.
Warunki przyspieszenia dyfuzji. Współczynnik dyfuzji
Po omówieniu substancji, w których może zachodzić rozważany proces, warto poznać warunki jego wystąpienia.
Po pierwsze, prędkość dyfuzji zależy od stanu skupienia substancji wchodzących w interakcje. Im większa gęstość materiału, w którym zachodzi reakcja, tym wolniejsze jej tempo.
W związku z tym dyfuzja w cieczach i gazach zawsze będzie bardziej aktywna niż w ciałach stałych.
Na przykład, jeśli kryształynadmanganian potasu KMnO4 (nadmanganian potasu) wrzucić do wody, nadadzą mu piękny malinowy kolor w kilka minut Kolor. Jeśli jednak posypiesz kryształkami KMnO4 kawałek lodu i włożysz wszystko do zamrażarki, po kilku godzinach nadmanganian potasu nie można w pełni pokolorować zamrożonego H 2O.
Z poprzedniego przykładu można wyciągnąć jeszcze jeden wniosek dotyczący warunków dyfuzji. Oprócz stanu skupienia, temperatura wpływa również na szybkość wzajemnego przenikania się cząstek.
Aby rozważyć zależność rozpatrywanego procesu od niego, warto zapoznać się z takim pojęciem jak współczynnik dyfuzji. Tak nazywa się ilościowa charakterystyka jego prędkości.
W większości wzorów jest oznaczony wielką łacińską literą D, aw systemie SI jest mierzony w metrach kwadratowych na sekundę (m² / s), czasami w centymetrach na sekundę (cm2 /m).
Współczynnik dyfuzji jest równy ilości materii rozrzuconej po powierzchni jednostki w jednostce czasu, pod warunkiem, że różnica gęstości na obu powierzchniach (znajdujących się w odległości równej jednostce długości) jest równa jeden. Kryteria określające D to właściwości substancji, w której zachodzi sam proces rozpraszania cząstek, oraz ich rodzaj.
Zależność współczynnika od temperatury można opisać równaniem Arrheniusa: D=D0exp(-E/TR).
W rozważanym wzorze E jest minimalną energią wymaganą do aktywacji procesu; T - temperatura (mierzona w stopniach Kelvina, a nie Celsjusza); R-charakterystyka stałej gazowej gazu doskonałego.
Oprócz wszystkich powyższych, na szybkość dyfuzji w ciałach stałych, cieczach w gazach wpływa ciśnienie i promieniowanie (indukcyjne lub o wysokiej częstotliwości). Ponadto wiele zależy od obecności substancji katalitycznej, często działa ona jako wyzwalacz do rozpoczęcia aktywnej dyspersji cząstek.
Równanie dyfuzji
Zjawisko to jest szczególną postacią równania różniczkowego cząstkowego.
Jego celem jest znalezienie zależności stężenia substancji od wielkości i współrzędnych przestrzeni (w której dyfunduje), a także od czasu. W tym przypadku podany współczynnik charakteryzuje przepuszczalność ośrodka dla reakcji.
Najczęściej równanie dyfuzji jest zapisywane w następujący sposób: ∂φ (r, t)/∂t=∇ x [D(φ, r) ∇ φ (r, t)].
W tym φ (t i r) jest gęstością substancji rozpraszającej w punkcie rw czasie t. D (φ, r) - uogólniony współczynnik dyfuzji przy gęstości φ w punkcie r.
∇ - wektorowy operator różniczkowy, którego składowe są pochodnymi cząstkowymi we współrzędnych.
Gdy współczynnik dyfuzji jest zależny od gęstości, równanie jest nieliniowe. Kiedy nie - liniowy.
Po rozważeniu definicji dyfuzji i cech tego procesu w różnych środowiskach, można zauważyć, że ma on zarówno pozytywne, jak i negatywne strony.
