Di antara sekian banyak fenomena dalam fisika, proses difusi merupakan salah satu yang paling sederhana dan paling mudah dipahami. Lagi pula, setiap pagi, menyiapkan teh atau kopi harum, seseorang memiliki kesempatan untuk mengamati reaksi ini dalam praktik. Mari pelajari lebih lanjut tentang proses ini dan kondisi kemunculannya di berbagai status agregasi.

Apa itu difusi

Kata ini mengacu pada penetrasi molekul atau atom dari satu zat antara unit struktural serupa dari yang lain. Dalam hal ini, konsentrasi senyawa penetrasi diratakan.

Proses ini pertama kali dijelaskan secara rinci oleh ilmuwan Jerman Adolf Fick pada tahun 1855.

Nama istilah ini berasal dari bahasa Latin difusio (interaksi, dispersi, distribusi).

Difusi dalam cairan

Proses yang dipertimbangkan dapat terjadi dengan zat di ketiga keadaan agregasi: gas, cair, dan padat. Untuk menemukan contoh praktisnya, lihat saja ke dapur.

Borscht yang direbus dengan kompor adalah salah satunya. Di bawah pengaruh suhu, molekul glukosin betanin (zat yang menyebabkan bit memiliki warna merah tua yang kaya) bereaksi secara merata dengan molekul air, memberikan rona merah anggur yang unik. Kasus ini dalam cairan.

Selain borscht, proses ini juga bisa dilihat pada segelas teh atau kopi. Kedua minuman ini memiliki warna kaya yang seragam karena fakta bahwa daun teh atau partikel kopi, larut dalam air, menyebar secara merata di antara molekulnya, mewarnainya. Aksi semua minuman instan populer tahun sembilan puluhan dibangun dengan prinsip yang sama: Yupi, Undang, Zuko.

Interpenetrasi gas

Atom dan molekul pembawa bau bergerak aktif dan, akibatnya, bercampur dengan partikel yang sudah ada di udara, dan tersebar merata di seluruh volume ruangan.

Ini adalah manifestasi difusi dalam gas. Perlu dicatat bahwa menghirup udara juga termasuk dalam proses yang sedang dipertimbangkan, serta bau yang menggugah selera dari borscht yang baru disiapkan di dapur.

Difusi dalam padatan

Meja dapur tempat bunga-bunga berdiri ditutupi dengan taplak meja kuning cerah. Dia menerima warna yang sama karena kemampuan difusi terjadi dalam padatan.

Proses pemberian warna seragam pada kanvas berlangsung dalam beberapa tahap sebagai berikut.

1. Partikel pigmen kuning menyebar di dalam tangki pewarna menuju bahan berserat.
2. Kemudian mereka diserap oleh permukaan luar kain yang diwarnai.
3. Langkah selanjutnya lagi adalah difusi pewarna, tapi kali ini ke dalam serat kanvas.
4. Pada akhirnya, kain memperbaiki partikel pigmen, sehingga menjadi berwarna.

Difusi gas dalam logam

Biasanya, berbicara tentang proses ini, pertimbangkan interaksi zat dalam keadaan agregat yang sama. Misalnya, difusi dalam padatan, padatan. Untuk membuktikan fenomena ini, dilakukan percobaan dengan dua pelat logam yang saling menempel (emas dan timah). Interpenetrasi molekul mereka membutuhkan waktu yang cukup lama (satu milimeter dalam lima tahun). Proses ini digunakan untuk membuat perhiasan yang tidak biasa.

Namun, senyawa dalam keadaan agregat yang berbeda juga mampu berdifusi. Misalnya, ada difusi gas dalam padatan.

Selama percobaan, terbukti bahwa proses serupa terjadi dalam keadaan atom. Untuk mengaktifkannya, biasanya diperlukan peningkatan suhu dan tekanan yang signifikan.

Contoh difusi gas dalam padatan adalah korosi hidrogen. Ini memanifestasikan dirinya dalam situasi di mana atom hidrogen (H 2) yang muncul selama beberapa reaksi kimia di bawah pengaruh suhu tinggi (dari 200 hingga 650 derajat Celcius) menembus di antara partikel struktural logam.

Selain hidrogen, difusi oksigen dan gas lainnya juga dapat terjadi dalam padatan. Proses ini, yang tidak terlihat oleh mata, membawa banyak kerugian, karena struktur logam dapat runtuh karenanya.

Difusi cairan dalam logam

Namun, tidak hanya molekul gas yang dapat menembus ke dalam padatan, tetapi juga cairan. Seperti halnya hidrogen, paling sering proses ini menyebabkan korosi (jika kita berbicara tentang logam).

Contoh klasik difusi cairan dalam padatan adalah korosi logam di bawah pengaruh air (H 2 O) atau larutan elektrolit. Bagi kebanyakan orang, proses ini lebih dikenal dengan nama karat. Tidak seperti korosi hidrogen, dalam praktiknya harus lebih sering ditemui.

Kondisi untuk mempercepat difusi. Koefisien difusi

Setelah berurusan dengan zat-zat di mana proses yang sedang dipertimbangkan dapat terjadi, ada baiknya mempelajari tentang kondisi kemunculannya.

Pertama-tama, laju difusi bergantung pada keadaan agregasi zat yang berinteraksi. Semakin banyak reaksi terjadi, semakin lambat lajunya.

Dalam hal ini, difusi dalam cairan dan gas akan selalu lebih aktif daripada padatan.

Misalnya, jika kristal kalium permanganat KMnO 4 (kalium permanganat) dibuang ke dalam air, mereka akan memberikan warna merah tua yang indah dalam beberapa menit. Namun, jika Anda menaburkan sepotong es dengan kristal KMnO 4 dan memasukkan semuanya ke dalam freezer, setelah beberapa jam, kalium permanganat tidak akan dapat sepenuhnya mewarnai H 2 O yang membeku.

Dari contoh sebelumnya, satu kesimpulan lagi dapat ditarik tentang kondisi difusi. Selain keadaan agregasi, laju interpenetrasi partikel juga dipengaruhi oleh suhu.

Untuk mempertimbangkan ketergantungan proses yang sedang dipertimbangkan, ada baiknya mempelajari konsep seperti koefisien difusi. Ini adalah nama karakteristik kuantitatif dari kecepatannya.

Di sebagian besar rumus, ini dilambangkan dengan huruf kapital Latin D dan dalam sistem SI diukur dalam meter persegi per detik (m² / s), terkadang dalam sentimeter per detik (cm 2 / m).

Koefisien difusi sama dengan jumlah materi yang tersebar melalui permukaan satuan selama satuan waktu, asalkan perbedaan kerapatan pada kedua permukaan (terletak pada jarak yang sama dengan satuan panjang) sama dengan satu. Kriteria yang menentukan D adalah sifat-sifat zat tempat proses hamburan partikel itu sendiri terjadi, dan jenisnya.

Ketergantungan koefisien pada suhu dapat dijelaskan dengan menggunakan persamaan Arrhenius: D = D 0exp (-E/TR).

Dalam rumus yang dipertimbangkan, E adalah energi minimum yang diperlukan untuk mengaktifkan proses; T - suhu (diukur dalam Kelvin, bukan Celsius); R adalah konstanta gas karakteristik gas ideal.

Selain semua hal di atas, laju difusi dalam padatan, cairan dalam gas dipengaruhi oleh tekanan dan radiasi (induktif atau frekuensi tinggi). Selain itu, banyak hal bergantung pada keberadaan zat katalitik, seringkali ia bertindak sebagai mekanisme pemicu dimulainya dispersi aktif partikel.

persamaan difusi

Fenomena ini merupakan bentuk khusus dari persamaan diferensial dengan turunan parsial.

Tujuannya adalah untuk menemukan ketergantungan konsentrasi suatu zat pada ukuran dan koordinat ruang (tempatnya berdifusi), serta waktu. Dalam hal ini, koefisien yang diberikan mencirikan permeabilitas media untuk reaksi.

Paling sering, persamaan difusi ditulis sebagai berikut: ∂φ (r,t)/∂t = ∇ x .

Di dalamnya φ (t dan r) adalah kerapatan bahan hamburan di titik r pada waktu t. D (φ, r) adalah koefisien difusi umum pada kerapatan φ di titik r.

∇ adalah operator diferensial vektor yang komponen koordinatnya adalah turunan parsial.

Ketika koefisien difusi bergantung pada densitas, persamaannya tidak linier. Bila tidak - linier.

Setelah mempertimbangkan definisi difusi dan kekhasan proses ini di media yang berbeda, dapat dicatat bahwa ia memiliki sisi positif dan negatif.

Segala sesuatu yang terjadi pada kita dan di sekitar kita selalu membangkitkan minat. Salah satu proses menarik yang diminati banyak orang adalah difusi. Jika Anda bertanya-tanya apa itu difusi, maka artikel kami akan bermanfaat.

Apa itu difusi?

Difusi adalah proses dimana suatu campuran berpindah dari daerah dengan konsentrasi tinggi ke daerah dengan konsentrasi rendah. Alasan untuk ini adalah pergerakan atom dan molekul. Biasanya penyebabnya adalah panas, di bawah pengaruh seluruh proses terjadi. Itu berakhir ketika gradien konsentrasi berakhir.

Difusi gas dan cairan terjadi dengan cepat, yang tidak bisa dikatakan tentang padatan. Ini mudah dilihat dalam kehidupan sehari-hari, karena memanaskan air jauh lebih cepat daripada plastik yang meleleh. Sebagai perbandingan, banyak orang mencampurnya dengan kalium permanganat, yang mewarnai cairan dalam beberapa detik. Tetapi tidak mungkin lagi melakukan ini dengan plastisin. Jika dua potong plastisin dicampur, maka agar mereka dapat berinteraksi, perlu banyak usaha. Ini sekali lagi menegaskan bahwa laju difusi bisa berbeda. Bahan sintetis tunduk pada difusi yang lemah, sedangkan bahan logam sebaliknya.

Difusi dapat berupa partikel yang selalu berada dalam zat. Zat asing juga dapat menerima proses ini.

Bagaimana menginduksi difusi?

Agar difusi terjadi dalam gas dan cairan, gerak Brown harus diterapkan. Ini adalah pergerakan molekul di bawah pengaruh suhu tinggi.

Pompa difusi dapat digunakan untuk menginduksi difusi padatan. Ada minyak di dalamnya, yang memanas dan naik, dan pemompaan sudah dilakukan di sana. Pada saat ini, uap naik dan turun melalui saluran khusus pompa untuk pendinginan. Sepanjang jalan, mereka menangkap gas dan membawanya. Uap mengembun dan mengalir ke wadah khusus. Semua ini memungkinkan Anda mencapai tekanan minimal.

Jenis difusi

Difusi dapat berupa:

• koloid;
• konvektif;
• kuantum;
• bergolak.

Jenis difusi pertama adalah proses yang terjadi pada padatan. Turbulen adalah transfer partikel terkecil dalam aliran turbulen. Difusi kuantum dicatat di mana ada suhu yang sangat rendah dan kondensat hadir. Difusi konvektif terjadi ketika partikel bergerak melalui media yang juga bergerak dengan kecepatan tertentu.

Seringkali dimungkinkan untuk mengamati bagaimana fenomena dikaitkan dengan difusi selama partikel tidak ditransfer. Misalnya, dalam optik, seseorang dapat menemukan proses transfer radiasi dalam media yang ditandai dengan ketidakhomogenan. Proses ini harus disertai dengan penyerapan foton, yang disebut difusi.

Di mana Anda dapat melihat difusi dalam kehidupan nyata?

Contoh termudah tentang cara kerja difusi adalah pernapasan kita. Oksigen memasuki paru-paru kita saat terbuka, dan kemudian bergerak ke dalam darah. Dengan bantuan difusi, karbon dioksida tidak menumpuk di sekitar seseorang, tetapi bercampur dengan oksigen dan menyebar secara merata di udara. Proses ini dapat diamati di bidang kehidupan lainnya.

Difusi

Contoh difusi adalah pencampuran gas (misalnya penyebaran bau) atau cairan (jika Anda menjatuhkan tinta ke dalam air, cairan akan menjadi berwarna seragam setelah beberapa saat). Contoh lain dihubungkan dengan benda padat: atom-atom logam yang berdampingan bercampur pada batas kontak. Difusi partikel memainkan peran penting dalam fisika plasma.

Biasanya, difusi dipahami sebagai proses yang disertai dengan perpindahan materi, namun terkadang proses perpindahan lainnya juga disebut difusi: konduktivitas termal, gesekan kental, dll.

Tingkat difusi tergantung pada banyak faktor. Jadi, dalam kasus batang logam, difusi termal berlangsung sangat cepat. Jika batang terbuat dari bahan sintetis, difusi termal berlangsung lambat. Difusi molekul dalam kasus umum berlangsung lebih lambat. Misalnya, jika sepotong gula dicelupkan ke dasar segelas air dan airnya tidak diaduk, perlu waktu beberapa minggu sebelum larutan menjadi homogen. Yang lebih lambat lagi adalah difusi dari satu padatan ke padatan lainnya. Misalnya, jika tembaga dilapisi dengan emas, maka akan terjadi difusi emas menjadi tembaga, tetapi dalam kondisi normal (suhu ruangan dan tekanan atmosfer), lapisan pembawa emas akan mencapai ketebalan beberapa mikron hanya setelah beberapa ribu tahun.

Deskripsi kuantitatif proses difusi diberikan oleh ahli fisiologi Jerman A. Fick ( Bahasa inggris) pada tahun 1855

gambaran umum

Semua jenis difusi mematuhi hukum yang sama. Laju difusi sebanding dengan luas penampang sampel, serta perbedaan konsentrasi, suhu, atau muatan (dalam hal nilai parameter ini relatif kecil). Jadi, panas akan merambat empat kali lebih cepat melalui batang berdiameter dua sentimeter daripada melalui batang berdiameter satu sentimeter. Panas ini akan menyebar lebih cepat jika perbedaan suhu per sentimeter adalah 10°C, bukan 5°C. Laju difusi juga sebanding dengan parameter yang mengkarakterisasi bahan tertentu. Dalam kasus difusi termal, parameter ini disebut konduktivitas termal, dalam kasus aliran muatan listrik - konduktivitas listrik. Jumlah zat yang berdifusi dalam waktu tertentu dan jarak yang ditempuh oleh zat yang berdifusi berbanding lurus dengan akar kuadrat waktu difusi.

Difusi adalah proses pada tingkat molekuler dan ditentukan oleh sifat acak dari pergerakan molekul individu. Oleh karena itu laju difusi sebanding dengan kecepatan rata-rata molekul. Dalam kasus gas, kecepatan rata-rata molekul kecil lebih besar, yaitu berbanding terbalik dengan akar kuadrat dari massa molekul dan meningkat dengan meningkatnya suhu. Proses difusi dalam padatan pada suhu tinggi sering menemukan aplikasi praktis. Misalnya, beberapa jenis tabung sinar katoda (CRT) menggunakan torium logam yang disebarkan melalui logam tungsten pada suhu 2000°C.

Jika dalam campuran gas massa satu molekul empat kali lebih besar dari yang lain, maka molekul semacam itu bergerak dua kali lebih lambat dibandingkan dengan pergerakannya dalam gas murni. Dengan demikian, tingkat difusinya juga lebih rendah. Perbedaan laju difusi antara molekul ringan dan berat ini digunakan untuk memisahkan zat dengan berat molekul berbeda. Contohnya adalah pemisahan isotop. Jika gas yang mengandung dua isotop dilewatkan melalui membran berpori, isotop yang lebih ringan menembus membran lebih cepat daripada yang lebih berat. Untuk pemisahan yang lebih baik, proses dilakukan dalam beberapa tahap. Proses ini telah banyak digunakan untuk pemisahan isotop uranium (pemisahan 235 U dari sebagian besar 238 U). Karena metode pemisahan ini intensif energi, metode pemisahan lain yang lebih ekonomis telah dikembangkan. Misalnya, penggunaan difusi termal dalam media gas banyak dikembangkan. Gas yang mengandung campuran isotop ditempatkan di dalam ruangan di mana perbedaan suhu spasial (gradien) dipertahankan. Dalam hal ini, isotop berat terkonsentrasi dari waktu ke waktu di wilayah dingin.

persamaan Fick

Dari sudut pandang termodinamika, potensi penggerak dari setiap proses leveling adalah pertumbuhan entropi. Pada tekanan dan suhu konstan, peran potensial semacam itu dimainkan oleh potensial kimiawi µ , menyebabkan pemeliharaan aliran materi. Fluks partikel zat sebanding dengan gradien potensial

~

Dalam kebanyakan kasus praktis, konsentrasi digunakan sebagai pengganti potensial kimia C. Penggantian Langsung µ pada C menjadi salah dalam kasus konsentrasi tinggi, karena potensi kimia tidak lagi terkait dengan konsentrasi menurut hukum logaritmik. Jika kami tidak mempertimbangkan kasus seperti itu, maka rumus di atas dapat diganti dengan yang berikut:

yang menunjukkan bahwa kerapatan fluks materi J sebanding dengan koefisien difusi D[()] dan gradien konsentrasi. Persamaan ini mengungkapkan hukum pertama Fick. Hukum kedua Fick menghubungkan perubahan spasial dan temporal dalam konsentrasi (persamaan difusi):

Koefisien difusi D tergantung suhu. Dalam beberapa kasus, dalam rentang temperatur yang luas, ketergantungan ini adalah persamaan Arrhenius.

Bidang tambahan yang diterapkan sejajar dengan gradien potensial kimia memecah kondisi mapan. Dalam hal ini, proses difusi dijelaskan oleh persamaan Fokker-Planck non-linear. Proses difusi sangat penting di alam:

• Nutrisi, pernapasan hewan dan tumbuhan;
• Penetrasi oksigen dari darah ke jaringan manusia.

Deskripsi geometris dari persamaan Fick

Dalam persamaan Fick kedua, di sisi kiri adalah laju perubahan konsentrasi dari waktu ke waktu, dan di sisi kanan persamaan adalah turunan parsial kedua, yang menyatakan distribusi spasial konsentrasi, khususnya konveksitas suhu. fungsi distribusi diproyeksikan ke sumbu x.

Lihat juga

• Difusi permukaan adalah proses yang terkait dengan pergerakan partikel yang terjadi pada permukaan benda terkondensasi di dalam lapisan permukaan pertama atom (molekul) atau di atas lapisan ini.

Catatan

literatur

• Bokshtein B.S. Atom berkeliaran di dalam kristal. - M .: Nauka, 1984. - 208 hal. - (Perpustakaan "Quantum", Edisi 28). - 150.000 eksemplar.

Tautan

• Difusi (pelajaran video, program kelas 7)
• Difusi atom pengotor pada permukaan kristal tunggal

Yayasan Wikimedia. 2010 .

Sinonim:

Lihat apa itu "Difusi" di kamus lain:

- [lat. distribusi difusio, penyebaran] fisik, kimia. penetrasi molekul dari satu zat (gas, cair, padat) ke zat lain melalui kontak langsung atau melalui partisi berpori. Kamus kata-kata asing. Komlev N.G.,… … Kamus kata-kata asing dari bahasa Rusia

Difusi- adalah penetrasi ke dalam media partikel dari satu zat partikel dari zat lain, yang terjadi sebagai akibat dari gerakan termal ke arah penurunan konsentrasi zat lain. [Blum E.E. Kamus istilah metalurgi dasar. Ekaterinburg … Ensiklopedia istilah, definisi dan penjelasan bahan bangunan

Ensiklopedia Modern

- (dari bahasa Latin difusio penyebaran penyebaran, dispersi), pergerakan partikel medium, yang mengarah ke transfer materi dan penyelarasan konsentrasi atau pembentukan distribusi kesetimbangan konsentrasi partikel dari jenis tertentu dalam medium. Dengan tidak adanya… … Kamus Ensiklopedis Besar

DIFUSI, pergerakan suatu zat dalam campuran dari area dengan konsentrasi tinggi ke area dengan konsentrasi rendah, yang disebabkan oleh pergerakan acak atom atau molekul individu. Difusi berhenti ketika gradien konsentrasi menghilang. Kecepatan… … Kamus ensiklopedis ilmiah dan teknis

difusi- dan, baiklah. difusi f., Jerman. Difusi lat. difusi menyebar, menyebar. Saling penetrasi zat yang berdampingan satu sama lain karena pergerakan termal molekul dan atom. Difusi gas, cairan. BAS 2. || trans. Mereka… … Kamus Sejarah Gallisisme Bahasa Rusia

Difusi- (dari distribusi difusi Latin, penyebaran, dispersi), pergerakan partikel medium, yang mengarah ke transfer materi dan penyelarasan konsentrasi atau pembentukan distribusi kesetimbangannya. Difusi biasanya ditentukan oleh gerak termal ... ... Kamus Ensiklopedia Bergambar

Pergerakan partikel ke arah penurunan konsentrasinya, karena gerakan termal. D. mengarah pada penyelarasan konsentrasi zat yang menyebar dan pengisian volume yang seragam dengan partikel. ... ... Ensiklopedia Geologi

Sekolah menengah MOU Zaozernaya dengan studi mendalam tentang mata pelajaran individu No. 16

Topik: "Difusi di alam hidup dan mati."

Lengkap:

siswa kelas 8 Zyabrev Kirill.

Guru fisika: Zavyalova G.M.

Guru biologi: Zyabreva V.F.

Tomsk - 2008

I. Pendahuluan. ……………………………………………………………………… 3

II. Difusi di alam hidup dan mati.

1. Sejarah penemuan fenomena. …………………………………. 4

2. Difusi, jenisnya. ……………………………………………….. 6

3. Laju difusi bergantung pada apa? ……………………….. 7

4. Difusi di alam mati. ………………………………... 8

5. Difusi pada satwa liar. ………………………………… 9

6. Penggunaan fenomena difusi. …………………………. 16

7. Merancang fenomena difusi individu. ……………… 17

AKU AKU AKU. Kesimpulan. …………………………………………………………... 20

IV. Buku Bekas. …………………………………. . 21

I. Pendahuluan.

Betapa banyak hal menakjubkan dan menarik yang terjadi di sekitar kita. Bintang-bintang jauh bersinar di langit malam, lilin menyala di jendela, angin membawa aroma ceri burung yang berbunga, seorang nenek tua melihatmu pergi dengan matanya .... Saya ingin belajar banyak, coba jelaskan sendiri. Bagaimanapun, banyak fenomena alam dikaitkan dengan proses difusi, yang baru-baru ini kita bicarakan di sekolah. Tapi mereka berkata sangat sedikit!

Tujuan kerja :

1. Memperluas dan memperdalam pengetahuan tentang difusi.

2. Simulasikan proses difusi individu.

3. Membuat materi tambahan berbasis komputer untuk digunakan dalam pelajaran fisika dan biologi.

Tugas:

1. Temukan materi yang diperlukan dalam literatur, Internet, pelajari dan analisis.

2. Cari tahu di mana fenomena difusi terjadi di alam hidup dan mati (fisika dan biologi), apa artinya, di mana mereka digunakan oleh manusia.

3. Jelaskan dan rancang eksperimen paling menarik tentang fenomena ini.

4. Membuat model animasi dari beberapa proses difusi.

Metode: analisis dan sintesis literatur, desain, pemodelan.

Pekerjaan saya terdiri dari tiga bagian; bagian utama terdiri dari 7 bab. Saya mempelajari dan mengolah materi dari 13 sumber sastra, termasuk pendidikan, referensi, literatur ilmiah dan situs Internet, dan juga menyiapkan presentasi yang dibuat di editor Power Point.

II. Difusi di alam hidup dan mati.

II .1. Sejarah penemuan fenomena difusi.

Saat mengamati suspensi serbuk sari bunga dalam air di bawah mikroskop, Robert Brown mengamati pergerakan partikel yang kacau yang muncul "bukan dari pergerakan cairan dan bukan dari penguapannya". Partikel tersuspensi berukuran 1 µm atau kurang, hanya terlihat di bawah mikroskop, melakukan gerakan independen yang tidak teratur, menggambarkan lintasan zigzag yang kompleks. Gerak Brown tidak melemah seiring waktu dan tidak bergantung pada sifat kimiawi medium; intensitasnya meningkat dengan meningkatnya suhu medium dan dengan penurunan viskositas dan ukuran partikelnya. Bahkan penjelasan kualitatif tentang penyebab gerak Brownian hanya mungkin dilakukan 50 tahun kemudian, ketika penyebab gerak Brownian mulai dikaitkan dengan tumbukan molekul cair pada permukaan partikel yang tersuspensi di dalamnya.

Teori kuantitatif pertama tentang gerak Brown diberikan oleh A. Einstein dan M. Smoluchowski pada tahun 1905-06. berdasarkan teori molekuler-kinetik. Terlihat bahwa jalan acak partikel Brown dikaitkan dengan partisipasi mereka dalam gerakan termal bersama dengan molekul media tempat mereka tersuspensi. Partikel rata-rata memiliki energi kinetik yang sama, tetapi karena massa yang lebih besar, kecepatannya lebih rendah. Teori gerak Brown menjelaskan gerak acak suatu partikel dengan aksi gaya acak dari molekul dan gaya gesekan. Menurut teori ini, molekul-molekul cairan atau gas berada dalam gerakan termal yang konstan, dan impuls molekul yang berbeda tidak sama besar dan arahnya. Jika permukaan partikel yang ditempatkan di media seperti itu kecil, seperti halnya partikel Brownian, maka tumbukan yang dialami partikel dari molekul di sekitarnya tidak akan dikompensasi secara tepat. Oleh karena itu, sebagai akibat dari "pemboman" oleh molekul, partikel Brownian mulai bergerak secara acak, mengubah besaran dan arah kecepatannya kira-kira 1014 kali per detik. Mengikuti teori ini bahwa dengan mengukur perpindahan partikel selama waktu tertentu dan mengetahui jari-jarinya dan viskositas cairan, seseorang dapat menghitung bilangan Avogadro.

Kesimpulan teori gerak Brown dikonfirmasi oleh pengukuran J. Perrin dan T. Svedberg pada tahun 1906. Berdasarkan hubungan ini, konstanta Boltzmann dan konstanta Avogadro ditentukan secara eksperimental. (Konstanta Avogadro dilambangkan dengan NA, jumlah molekul atau atom dalam 1 mol suatu zat, NA = 6.022.1023 mol-1; nama untuk menghormati A. Avogadro.

konstanta Boltzmann, konstanta fisik k sama dengan rasio konstanta gas universal R ke bilangan Avogadro N A: k = R / N A = 1.3807.10-23 J/K. Dinamakan setelah L. Boltzmann.)

Saat mengamati gerak Brown, posisi partikel ditetapkan secara berkala. Semakin pendek interval waktu, lintasan partikel akan terlihat semakin rusak.

Pola gerak Brown berfungsi sebagai konfirmasi yang jelas dari ketentuan mendasar dari teori kinetik molekuler. Akhirnya ditetapkan bahwa bentuk termal dari gerak materi disebabkan oleh gerak kacau atom atau molekul yang menyusun benda makroskopik.

Teori gerak Brown memainkan peran penting dalam memperkuat mekanika statistik; itu adalah dasar teori kinetik koagulasi (pencampuran) larutan berair. Selain itu, ini juga memiliki arti praktis dalam metrologi, karena gerak Brown dianggap sebagai faktor utama yang membatasi keakuratan alat ukur. Sebagai contoh, batas ketelitian pembacaan cermin galvanometer ditentukan oleh getaran cermin, seperti partikel Brown yang dibombardir oleh molekul udara. Hukum gerak Brown menentukan pergerakan acak elektron, yang menyebabkan kebisingan di sirkuit listrik. Kerugian dielektrik dalam dielektrik dijelaskan oleh gerakan acak molekul dipol yang membentuk dielektrik. Gerakan acak ion dalam larutan elektrolit meningkatkan hambatan listriknya.

Lintasan partikel Brown (skema percobaan Perrin); titik-titik menandai posisi partikel secara berkala.

Dengan demikian, DIFUSI, ATAU GERAKAN BROWNIAN - Ini gerakan acak partikel terkecil yang tersuspensi dalam cairan atau gas, terjadi di bawah pengaruh pengaruh molekul lingkungan; membuka

R. Brown pada tahun 1827

II. 2. Difusi, jenisnya.

Bedakan antara difusi dan difusi sendiri.

dengan difusi disebut penetrasi spontan molekul satu zat ke dalam celah antara molekul zat lain. Dalam hal ini, partikel dicampur. Difusi diamati untuk gas, cairan dan padatan. Misalnya, setetes tinta dicampurkan ke dalam segelas air. Atau bau cologne menyebar ke seluruh ruangan.

Difusi, seperti difusi diri, ada selama ada gradien kepadatan zat. Jika kerapatan salah satu zat yang sama tidak sama di bagian volume yang berbeda, maka fenomena difusi diri diamati. Dengan difusi diri disebut proses pemerataan densitas(atau konsentrasi sebanding dengannya) substansi yang sama. Difusi dan difusi sendiri terjadi karena gerakan termal molekul, yang, dalam keadaan tidak seimbang, menciptakan aliran materi.

Kerapatan fluks massa adalah massa materi ( dm) menyebar per satuan waktu melalui satuan luas ( dS pl) tegak lurus terhadap sumbu X :

(1.1)

Fenomena difusi mengikuti hukum Fick

(1.2)

di mana adalah modulus gradien kerapatan, yang menentukan laju perubahan kerapatan dalam arah sumbu X ;

D- koefisien difusi, yang dihitung dari teori kinetik molekul dengan rumus

(1.3)

di mana kecepatan rata-rata gerak termal molekul;

Berarti jalur bebas molekul.

Tanda minus menunjukkan bahwa perpindahan massa terjadi ke arah penurunan kerapatan.

Persamaan (1.2) disebut persamaan difusi atau hukum Fick.

II. 3. Tingkat difusi.

Ketika sebuah partikel bergerak dalam suatu zat, ia terus-menerus bertabrakan dengan molekulnya. Inilah salah satu alasan mengapa, dalam kondisi normal, difusi lebih lambat daripada gerakan normal. Apa yang bergantung pada laju difusi?

Pertama, pada jarak rata-rata antar tumbukan partikel, yaitu panjang jalan bebas. Semakin besar panjang ini, semakin cepat partikel menembus ke dalam zat.

Kedua, tekanan mempengaruhi kecepatan. Semakin padat pengepakan partikel dalam suatu zat, semakin sulit bagi partikel asing untuk menembus ke dalam pengepakan tersebut.

Ketiga, berat molekul suatu zat memainkan peran penting dalam laju difusi. Semakin besar targetnya, semakin besar kemungkinannya untuk mengenai, dan setelah tabrakan, kecepatannya selalu melambat.

Dan keempat, suhu. Saat suhu naik, osilasi partikel meningkat, dan kecepatan molekul meningkat. Namun, kecepatan difusi seribu kali lebih lambat dari kecepatan gerak bebas.

Semua jenis difusi mematuhi hukum yang sama, dijelaskan oleh koefisien difusi D, yang merupakan nilai skalar dan ditentukan dari hukum pertama Fick.

Untuk difusi satu dimensi ,

di mana J adalah kerapatan fluks atom atau cacat zat,
D - koefisien difusi,
N adalah konsentrasi atom atau cacat zat.

Difusi adalah proses pada tingkat molekuler dan ditentukan oleh sifat acak dari pergerakan molekul individu. Oleh karena itu laju difusi sebanding dengan kecepatan rata-rata molekul. Dalam kasus gas, kecepatan rata-rata molekul kecil lebih besar, yaitu berbanding terbalik dengan akar kuadrat dari massa molekul dan meningkat dengan meningkatnya suhu. Proses difusi dalam padatan pada suhu tinggi sering menemukan aplikasi praktis. Misalnya, beberapa jenis tabung sinar katoda (CRT) menggunakan torium logam yang disebarkan melalui tungsten logam pada suhu 2000 ºC.

Jika dalam campuran gas satu molekul empat kali lebih berat dari yang lain, maka molekul tersebut bergerak dua kali lebih lambat dibandingkan dengan pergerakannya dalam gas murni. Dengan demikian, tingkat difusinya juga lebih rendah. Perbedaan laju difusi antara molekul ringan dan berat ini digunakan untuk memisahkan zat dengan berat molekul berbeda. Contohnya adalah pemisahan isotop. Jika gas yang mengandung dua isotop dilewatkan melalui membran berpori, isotop yang lebih ringan menembus membran lebih cepat daripada yang lebih berat. Untuk pemisahan yang lebih baik, proses dilakukan dalam beberapa tahap. Proses ini telah banyak digunakan untuk memisahkan isotop uranium (pemisahan fisil 235U di bawah iradiasi neutron dari sebagian besar 238U). Karena metode pemisahan ini intensif energi, metode pemisahan lain yang lebih ekonomis telah dikembangkan. Misalnya, penggunaan difusi termal dalam media gas banyak dikembangkan. Gas yang mengandung campuran isotop ditempatkan di dalam ruangan di mana perbedaan suhu spasial (gradien) dipertahankan. Dalam hal ini, isotop berat terkonsentrasi dari waktu ke waktu di wilayah dingin.

Kesimpulan. Perubahan difus dipengaruhi oleh:

· berat molekul zat (semakin tinggi berat molekul, semakin rendah kecepatannya);

· jarak rata-rata antara tumbukan partikel (semakin besar panjang lintasan, semakin besar kecepatannya);

· tekanan (semakin besar pengepakan partikel, semakin sulit untuk ditembus),

· suhu (saat suhu naik, kecepatan meningkat).

II.4. Difusi dalam alam mati.

Tahukah Anda bahwa seluruh hidup kita dibangun di atas paradoks alam yang aneh? Semua orang tahu bahwa udara yang kita hirup terdiri dari gas dengan kepadatan berbeda: nitrogen N 2 , oksigen O 2 , karbon dioksida CO 2 dan sejumlah kecil pengotor lainnya. Dan gas-gas ini harus diatur berlapis-lapis, menurut gravitasi: yang terberat, CO 2, ada di permukaan bumi, di atasnya - O 2, bahkan lebih tinggi - N 2. Tapi itu tidak terjadi. Kita dikelilingi oleh campuran gas yang homogen. Mengapa apinya tidak padam? Lagi pula, oksigen yang mengelilinginya cepat habis? Di sini, seperti pada kasus pertama, mekanisme penyelarasan beroperasi. Difusi mencegah ketidakseimbangan di alam!

Mengapa laut asin? Kita tahu bahwa sungai menembus ketebalan bebatuan, mineral, dan mencuci garam ke laut. Bagaimana garam bercampur dengan air? Ini dapat dijelaskan dengan pengalaman sederhana:

DESKRIPSI PENGALAMAN: Tuang larutan tembaga sulfat ke dalam bejana kaca. Tuangkan air bersih dengan hati-hati ke atas larutan. Kami mengamati batas antara cairan.

Pertanyaan: Apa yang akan terjadi pada cairan ini dari waktu ke waktu, dan apa yang akan kita amati?

Seiring waktu, batas antara cairan yang bersentuhan akan mulai kabur. Bejana berisi cairan dapat ditempatkan di lemari dan setiap hari Anda dapat mengamati bagaimana pencampuran cairan terjadi secara spontan. Pada akhirnya, cairan homogen berwarna biru pucat terbentuk di bejana, hampir tidak berwarna dalam cahaya.

Partikel tembaga sulfat lebih berat daripada air, tetapi karena difusi partikel tersebut perlahan-lahan naik. Alasannya adalah struktur cairannya. Partikel cair dikemas ke dalam kelompok kompak - pseudonuclei. Mereka dipisahkan satu sama lain oleh rongga - lubang. Inti tidak stabil, partikelnya tidak lama dalam kesetimbangan. Segera setelah partikel memberikan energi, partikel tersebut melepaskan diri dari inti dan jatuh ke dalam kehampaan. Dari sana, dengan mudah melompat ke inti lain, dan seterusnya.

Molekul zat asing memulai perjalanannya melalui cairan dari lubang. Dalam perjalanan, mereka bertabrakan dengan nuklei, menjatuhkan partikel darinya, dan menggantikannya. Bergerak dari satu tempat bebas ke tempat lain, mereka perlahan bercampur dengan partikel cair. Kita sudah tahu bahwa tingkat difusi rendah. Oleh karena itu, dalam kondisi normal, percobaan ini memakan waktu 18 hari, dengan pemanasan - 2-3 menit.

Kesimpulan: Dalam nyala api Matahari, kehidupan dan kematian bintang bercahaya yang jauh, di udara yang kita hirup, dalam perubahan cuaca, di hampir semua fenomena fisik, kita melihat manifestasi difusi yang maha kuasa!

II.5. Difusi pada satwa liar.

Proses difusi telah dipelajari dengan baik saat ini, hukum fisika dan kimianya telah ditetapkan, dan cukup berlaku untuk pergerakan molekul dalam organisme hidup. Difusi dalam organisme hidup terkait erat dengan membran plasma sel. Oleh karena itu, perlu untuk mengetahui bagaimana susunannya, dan bagaimana ciri-ciri strukturnya terkait dengan pengangkutan zat di dalam sel.

Membran plasma (plasmalemma, membran sel), permukaan, struktur perifer yang mengelilingi protoplasma sel tumbuhan dan hewan, berfungsi tidak hanya sebagai penghalang mekanis, tetapi, yang paling penting, membatasi aliran dua arah bebas masuk dan keluar sel. zat bermolekul rendah dan tinggi. Selain itu, plasmalemma bertindak sebagai struktur yang "mengenali" berbagai bahan kimia dan mengatur pengangkutan selektif zat-zat ini ke dalam sel.

Permukaan luar membran plasma ditutupi dengan lapisan zat berserat longgar setebal 3-4 nm - glikokaliks. Ini terdiri dari rantai percabangan karbohidrat kompleks dari protein integral membran, di antaranya senyawa protein dengan gula dan protein dengan lemak yang diisolasi oleh sel dapat ditemukan. Beberapa enzim seluler yang terlibat dalam pemecahan zat ekstraseluler (pencernaan ekstraseluler, misalnya, di epitel usus) segera ditemukan.

Karena bagian dalam lapisan lipid bersifat hidrofobik, ia memberikan penghalang yang hampir tidak dapat ditembus oleh sebagian besar molekul polar. Karena adanya penghalang ini, kebocoran isi sel dapat dicegah, namun karena itu sel terpaksa membuat mekanisme khusus untuk pengangkutan zat yang larut dalam air melalui membran.

Membran plasma, seperti membran sel lipoprotein lainnya, bersifat semipermeabel. Air dan gas terlarut di dalamnya memiliki daya tembus maksimum. Transpor ion dapat berlangsung sepanjang gradien konsentrasi, yaitu secara pasif, tanpa konsumsi energi. Dalam hal ini, beberapa protein transpor membran membentuk kompleks molekuler, saluran yang dilalui ion melewati membran melalui difusi sederhana. Dalam kasus lain, protein pembawa membran khusus secara selektif mengikat satu atau beberapa ion dan mengangkutnya melintasi membran. Jenis transfer ini disebut transpor aktif dan dilakukan dengan menggunakan pompa ion protein. Misalnya, menghabiskan 1 molekul ATP, sistem pompa K-Na memompa keluar 3 ion Na dari sel dalam satu siklus dan memompa 2 ion K melawan gradien konsentrasi. Dalam kombinasi dengan transpor aktif ion, berbagai gula, nukleotida, dan asam amino menembus plasmalemma. Makromolekul, seperti protein, tidak melewati membran. Mereka, serta partikel zat yang lebih besar, diangkut ke dalam sel melalui endositosis. Selama endositosis, bagian tertentu dari plasmalemma menangkap, menyelubungi bahan ekstraseluler, dan membungkusnya dalam vakuola membran. Vakuola ini - endosom - menyatu dalam sitoplasma dengan lisosom primer dan pencernaan bahan yang ditangkap terjadi. Endositosis secara formal dibagi menjadi fagositosis (penyerapan partikel besar oleh sel) dan pinositosis (penyerapan larutan). Membran plasma juga mengambil bagian dalam penghilangan zat dari sel menggunakan eksositosis, suatu proses yang merupakan kebalikan dari endositosis.

Difusi ion dalam larutan berair sangat penting bagi organisme hidup. Yang tak kalah pentingnya adalah peran difusi dalam respirasi, fotosintesis, dan transpirasi tumbuhan; dalam transfer oksigen dari udara melalui dinding alveoli paru-paru dan masuknya ke dalam darah manusia dan hewan. Difusi ion molekuler melalui membran dilakukan dengan menggunakan potensial listrik di dalam sel. Memiliki permeabilitas selektif, membran memainkan peran bea cukai saat memindahkan barang melintasi perbatasan: beberapa zat melewatinya, yang lain menunda, dan yang lain umumnya "diusir" dari sel. Peran membran dalam kehidupan sel sangat besar. Sel yang sekarat kehilangan kendali atas kemampuan untuk mengatur konsentrasi zat melintasi membran. Tanda pertama kematian sel adalah awal dari perubahan permeabilitas dan kegagalan membran luarnya.

Selain transpor konvensional - proses kinetik transfer partikel suatu zat di bawah aksi gradien potensial listrik atau kimia, suhu atau tekanan - transpor aktif juga terjadi dalam proses seluler - pergerakan molekul dan ion melawan konsentrasi gradien zat. Mekanisme difusi ini disebut osmosis. (Osmosis pertama kali diamati oleh A. Nolle pada tahun 1748, tetapi studi tentang fenomena ini dimulai seabad kemudian.) Proses ini dilakukan karena tekanan osmotik yang berbeda dalam larutan berair di sisi berlawanan dari membran biologis. bebas melalui membran dengan osmosis, tetapi membran ini dapat tahan terhadap zat terlarut dalam air. Sangat mengherankan bahwa air mengalir melawan difusi zat ini, tetapi mematuhi hukum umum gradien konsentrasi (dalam hal ini, air).

Oleh karena itu, air cenderung berpindah dari larutan yang lebih encer, yang konsentrasinya lebih tinggi, ke larutan zat yang lebih pekat, yang konsentrasi airnya lebih rendah. Karena tidak dapat langsung menyedot dan memompa keluar air, sel melakukannya dengan bantuan osmosis, mengubah konsentrasi zat terlarut di dalamnya. Osmosis menyamakan konsentrasi larutan di kedua sisi membran. Tekanan osmotik larutan zat di kedua sisi membran sel dan elastisitas membran sel menentukan keadaan tegangan membran sel, yang disebut tekanan turgor (turgor - dari bahasa Latin turgere - menjadi bengkak, terisi). Biasanya, elastisitas membran sel hewan (tidak termasuk beberapa sel usus) rendah, tekanan turgornya kurang tinggi dan tetap utuh hanya dalam larutan isotonik atau yang sedikit berbeda dari isotonik (perbedaan antara tekanan internal dan tekanan eksternal kurang dari 0,5 -1.0 pagi). Pada sel tumbuhan hidup, tekanan internal selalu lebih besar daripada tekanan eksternal, namun pecahnya membran sel tidak terjadi karena adanya dinding sel selulosa. Perbedaan antara tekanan internal dan eksternal pada tanaman (misalnya pada tanaman halofita - suka garam, jamur) mencapai 50-100 pagi. Tetapi meskipun demikian, margin keamanan sel tumbuhan adalah 60-70%. Pada sebagian besar tumbuhan, pemanjangan relatif membran sel akibat turgor tidak melebihi 5-10%, dan tekanan turgor terletak pada kisaran 5-10 pagi. Berkat turgor, jaringan tanaman memiliki elastisitas dan kekuatan struktural. (Eksperimen No. 3, No. 4 mengonfirmasi hal ini). Semua proses autolisis (penghancuran diri), layu dan penuaan disertai dengan penurunan tekanan turgor.

Mempertimbangkan difusi dalam kehidupan alam, seseorang tidak bisa tidak menyebutkan penyerapan. Penyerapan adalah proses masuknya berbagai zat dari lingkungan melalui membran sel ke dalam sel, dan melaluinya ke dalam lingkungan internal tubuh. Pada tumbuhan, ini adalah proses penyerapan air dengan zat terlarut di dalamnya oleh akar dan daun melalui osmosis dan difusi; pada invertebrata - dari lingkungan atau cairan rongga. Pada organisme primitif, penyerapan dilakukan dengan bantuan pino- dan fagositosis. Pada vertebrata, penyerapan dapat terjadi baik dari organ perut - paru-paru, rahim, kandung kemih, dan dari permukaan kulit, dari permukaan luka, dll. Gas dan uap yang mudah menguap diserap oleh kulit.

Signifikansi fisiologis terbesar adalah penyerapan di saluran pencernaan, yang terjadi terutama di usus kecil. Untuk pengangkutan zat yang efisien, area permukaan usus yang luas dan aliran darah yang terus-menerus tinggi di selaput lendir sangat penting, karena itu gradien konsentrasi tinggi dari senyawa yang diserap dipertahankan. Pada manusia, aliran darah mesenterika selama makan sekitar 400 ml / menit, dan pada puncak pencernaan - hingga 750 ml / menit, dengan bagian utama (hingga 80%) adalah aliran darah di selaput lendir. organ pencernaan. Karena adanya struktur yang meningkatkan permukaan selaput lendir - lipatan melingkar, vili, mikrovili, total luas permukaan hisap usus manusia mencapai 200 m 2.

Larutan air dan garam dapat berdifusi di kedua sisi dinding usus, baik di usus halus maupun usus besar. Penyerapannya terjadi terutama di bagian atas usus kecil. Yang sangat penting dalam usus kecil adalah pengangkutan ion Na +, yang menyebabkan gradien listrik dan osmotik terutama dibuat. Penyerapan ion Na+ terjadi karena mekanisme aktif dan pasif.

Jika sel tidak memiliki sistem untuk mengatur tekanan osmotik, maka konsentrasi zat terlarut di dalamnya akan lebih besar daripada konsentrasi eksternalnya. Maka konsentrasi air di dalam sel akan lebih kecil dari konsentrasinya di luar. Akibatnya, akan ada aliran air yang konstan ke dalam sel dan pecahnya. Untungnya, sel hewan dan bakteri mengendalikan tekanan osmotik dalam sel mereka dengan secara aktif memompa keluar ion anorganik seperti Na. Oleh karena itu, konsentrasi totalnya di dalam sel lebih rendah daripada di luar. Misalnya, amfibi menghabiskan sebagian besar waktunya di air, dan kandungan garam dalam darah dan getah beningnya lebih tinggi daripada di air tawar. Amfibi terus menerus menyerap air melalui kulitnya. Karena itu, mereka menghasilkan banyak urin. Seekor katak, misalnya, jika kloakanya dibalut, membengkak seperti bola. Sebaliknya, jika amfibi memasuki air laut yang asin, ia akan mengalami dehidrasi dan mati dengan sangat cepat. Oleh karena itu, laut dan samudra bagi amfibi merupakan penghalang yang tidak dapat diatasi. Sel tumbuhan memiliki dinding kaku yang mencegahnya membengkak. Banyak protozoa menghindari semburan dari air yang masuk dengan menggunakan mekanisme khusus yang secara teratur mengeluarkan air yang masuk.

Dengan demikian, sel adalah sistem termodinamika terbuka, bertukar materi dan energi dengan lingkungan, tetapi mempertahankan keteguhan tertentu dari lingkungan internal. Kedua sifat dari sistem pengaturan diri ini - keterbukaan dan keteguhan - dilakukan secara bersamaan, dan metabolisme (metabolisme) bertanggung jawab atas keteguhan sel. Metabolisme adalah pengatur yang berkontribusi pada pelestarian sistem, ia memberikan respons yang tepat terhadap pengaruh lingkungan. Oleh karena itu, kondisi yang diperlukan untuk metabolisme adalah sifat mudah marah dari sistem kehidupan di semua tingkatan, yang pada saat yang sama bertindak sebagai faktor konsistensi dan integritas sistem.

Membran dapat mengubah permeabilitasnya di bawah pengaruh faktor kimia dan fisik, termasuk akibat depolarisasi membran selama aliran impuls listrik melalui sistem neuron dan dampaknya.

Neuron adalah segmen serabut saraf. Jika iritan bekerja di salah satu ujungnya, maka terjadi impuls listrik. Nilainya sekitar 0,01 V untuk sel otot manusia, dan merambat dengan kecepatan sekitar 4 m/s. Ketika impuls mencapai sinaps - sambungan neuron, yang dapat dianggap sebagai semacam relai yang mentransmisikan sinyal dari satu neuron ke neuron lainnya, maka impuls listrik diubah menjadi impuls kimiawi dengan pelepasan neurotransmiter - zat perantara spesifik. . Ketika molekul mediator semacam itu memasuki celah antar neuron, neurotransmitter mencapai ujung celah melalui difusi dan menggairahkan neuron berikutnya.

Namun, neuron bereaksi hanya jika permukaannya memiliki molekul khusus - reseptor yang hanya dapat mengikat mediator ini dan tidak bereaksi terhadap yang lain. Ini terjadi tidak hanya pada membran, tetapi juga pada organ apa pun, seperti otot, yang menyebabkan kontraksi. Sinyal impuls melalui sinapsis dapat menghambat atau meningkatkan transmisi orang lain, dan oleh karena itu neuron melakukan fungsi logis ("dan", "atau"), yang, sampai batas tertentu, melayani N. Wiener sebagai alasan untuk percaya bahwa proses komputasi di otak organisme hidup dan komputer pada dasarnya mengikuti pola yang sama. Kemudian pendekatan informasional memungkinkan untuk mendeskripsikan alam mati dan hidup secara terpadu.

Proses efek sinyal pada membran terdiri dari perubahan resistansi listriknya yang tinggi, karena perbedaan potensial di atasnya juga sekitar 0,01 V. Penurunan resistansi menyebabkan peningkatan pulsa arus listrik dan eksitasi ditransmisikan lebih lanjut dalam bentuk impuls saraf, sambil mengubah kemungkinan melewati membran ion tertentu. Dengan demikian, informasi dalam tubuh dapat ditransmisikan dalam kombinasi, melalui mekanisme kimiawi dan fisik, dan ini memastikan keandalan dan variasi saluran untuk transmisi dan pemrosesannya dalam sistem kehidupan.

Proses respirasi seluler, ketika molekul ATP terbentuk di mitokondria sel, yang menyediakan energi yang diperlukan, terkait erat dengan proses respirasi biasa organisme hidup, yang membutuhkan oksigen O2 yang diperoleh sebagai hasil fotosintesis. Mekanisme proses ini juga didasarkan pada hukum difusi. Pada dasarnya, ini adalah komponen material dan energi yang diperlukan untuk organisme hidup. Fotosintesis adalah proses penyimpanan energi matahari dengan membentuk ikatan baru dalam molekul zat yang disintesis. Bahan awal untuk fotosintesis adalah air H 2 O dan karbon dioksida CO 2 . Senyawa anorganik sederhana ini membentuk nutrisi yang lebih kompleks dan kaya energi. Sebagai produk sampingan, tetapi sangat penting bagi kita, molekul oksigen O 2 terbentuk. Contohnya adalah reaksi yang terjadi akibat penyerapan kuanta cahaya dan adanya pigmen klorofil yang terkandung dalam kloroplas.

Hasilnya adalah satu molekul gula C 6 H 12 O 6 dan enam molekul oksigen O 2. Proses berlangsung secara bertahap, pertama, pada tahap fotolisis, hidrogen dan oksigen dibentuk dengan memisahkan air, dan kemudian hidrogen, bergabung dengan karbon dioksida, membentuk karbohidrat - gula C 6 H 12 O 6. Pada dasarnya, fotosintesis adalah konversi energi radiasi Matahari menjadi energi ikatan kimia dari zat organik yang muncul. Jadi, fotosintesis, yang menghasilkan oksigen O 2 dalam cahaya, adalah proses biologis yang menyediakan energi bebas bagi organisme hidup. Proses respirasi normal sebagai proses metabolisme dalam tubuh yang berhubungan dengan konsumsi oksigen merupakan kebalikan dari proses fotosintesis. Kedua proses ini dapat mengikuti rantai berikut:

Energi matahari (fotosintesis)

nutrisi + (nafas)

Energi ikatan kimia.

Produk akhir respirasi berfungsi sebagai bahan awal untuk fotosintesis. Dengan demikian, proses fotosintesis dan respirasi terlibat dalam siklus zat di Bumi. Bagian dari radiasi matahari diserap oleh tanaman dan beberapa organisme, yang, seperti yang telah kita ketahui, adalah autotrof, yaitu. makan sendiri (makanan untuk mereka - sinar matahari). Sebagai hasil dari proses fotosintesis, autotrof mengikat karbon dioksida dan air di atmosfer, membentuk hingga 150 miliar ton zat organik, menyerap hingga 300 miliar ton CO 2, dan mengeluarkan sekitar 200 miliar ton oksigen bebas O 2 setiap tahunnya.

Bahan organik yang dihasilkan digunakan sebagai makanan oleh manusia dan herbivora, yang pada gilirannya memakan heterotrof lainnya. Sisa-sisa tanaman dan hewan kemudian diuraikan menjadi zat anorganik sederhana, yang dapat kembali berpartisipasi dalam bentuk CO 2 dan H 2 O dalam fotosintesis. Sebagian dari energi yang dihasilkan, termasuk yang tersimpan dalam bentuk bahan bakar fosil, digunakan oleh organisme hidup, dan sebagian lagi terbuang percuma ke lingkungan. Oleh karena itu, proses fotosintesis, karena kemungkinan memberi mereka energi dan oksigen yang diperlukan, pada tahap tertentu dalam perkembangan biosfer bumi merupakan katalisator evolusi makhluk hidup.

Proses difusi mendasari metabolisme dalam sel, artinya dengan bantuannya proses tersebut dilakukan pada tingkat organ. Beginilah proses penyerapan dilakukan di bulu akar tumbuhan, usus hewan dan manusia; pertukaran gas dalam stomata tumbuhan, paru-paru dan jaringan manusia dan hewan, proses ekskresi.

Ahli biologi telah terlibat dalam struktur dan studi sel selama lebih dari 150 tahun, dimulai dengan Schleiden, Schwann, Purime dan Virchow, yang pada tahun 1855 menetapkan mekanisme pertumbuhan sel dengan membaginya. Ditemukan bahwa setiap organisme berkembang dari satu sel, yang mulai membelah dan akibatnya, banyak sel terbentuk yang sangat berbeda satu sama lain. Tetapi karena perkembangan organisme awalnya dimulai dari pembelahan sel pertama, pada salah satu tahap siklus hidup kita, kita mempertahankan kemiripan dengan nenek moyang uniseluler yang sangat jauh, dan dengan bercanda kita dapat mengatakan bahwa kita kemungkinan besar adalah keturunan dari amuba daripada dari monyet.

Organ terbentuk dari sel, dan sistem sel memperoleh kualitas yang tidak dimiliki oleh unsur penyusunnya, yaitu. sel individu. Perbedaan ini disebabkan oleh kumpulan protein yang disintesis oleh sel ini. Ada sel otot, sel saraf, sel darah (eritrosit), epitel dan lain-lain, tergantung fungsinya. Diferensiasi sel terjadi secara bertahap selama perkembangan organisme. Dalam proses pembelahan sel, hidup dan mati mereka, penggantian sel terus menerus terjadi sepanjang hidup organisme.

Tidak ada molekul dalam tubuh kita yang tetap sama selama lebih dari beberapa minggu atau bulan. Selama waktu ini, molekul disintesis, memenuhi perannya dalam kehidupan sel, dihancurkan dan digantikan oleh molekul lain yang kurang lebih identik. Hal yang paling menakjubkan adalah bahwa organisme hidup secara keseluruhan jauh lebih konstan daripada molekul penyusunnya, dan struktur sel serta seluruh tubuh yang terdiri dari sel-sel ini tetap tidak berubah dalam siklus yang tak henti-hentinya ini, meskipun komponen individu telah diganti.

Selain itu, ini bukan penggantian bagian-bagian tertentu dari mobil, tetapi, seperti yang secara kiasan S. Rose bandingkan, bodi dengan bangunan bata, “dari mana tukang batu gila terus-menerus mengeluarkan satu demi satu bata di malam dan siang hari dan memasukkan yang baru yang ada di tempatnya. Pada saat yang sama, tampilan luar bangunan tetap sama, dan materialnya terus diganti. Kita dilahirkan dengan beberapa neuron dan sel, dan kita mati dengan yang lain. Contohnya adalah kesadaran, pemahaman dan persepsi seorang anak dan orang tua. Semua sel memiliki informasi genetik yang lengkap untuk membangun semua protein dari organisme tertentu. Penyimpanan dan transmisi informasi herediter dilakukan dengan bantuan inti sel.

Kesimpulan: Tidak mungkin melebih-lebihkan peran permeabilitas membran plasma dalam aktivitas vital sel. Sebagian besar proses yang terkait dengan penyediaan energi bagi sel, penerimaan produk, dan pembuangan produk peluruhan didasarkan pada hukum difusi melalui penghalang hidup semi-permeabel ini.

Osmosa- sebenarnya, difusi air sederhana dari tempat dengan konsentrasi air lebih tinggi ke tempat dengan konsentrasi air lebih rendah.

Transportasi pasif- ini adalah perpindahan zat dari tempat dengan nilai potensial elektrokimia yang besar ke tempat dengan nilai lebih rendah. Pemindahan molekul kecil yang larut dalam air dilakukan dengan menggunakan protein transpor khusus. Ini adalah protein transmembran khusus, yang masing-masing bertanggung jawab untuk pengangkutan molekul tertentu atau kelompok molekul terkait.

Seringkali diperlukan untuk memastikan bahwa molekul diangkut melintasi membran melawan gradien elektrokimia mereka. Proses seperti itu disebut transportasi aktif dan dilakukan oleh protein pembawa, yang aktivitasnya membutuhkan pengeluaran energi. Jika protein pembawa dikaitkan dengan sumber energi, mekanisme dapat diperoleh yang memastikan transpor aktif zat melintasi membran.

II.6. Penerapan difusi.

Manusia telah menggunakan fenomena difusi sejak zaman kuno. Memasak dan memanaskan rumah dikaitkan dengan proses ini. Kami menemukan difusi selama perlakuan panas logam (pengelasan, penyolderan, pemotongan, pelapisan, dll.); menerapkan lapisan tipis logam ke permukaan produk logam untuk meningkatkan ketahanan kimia, kekuatan, kekerasan bagian dan perangkat, atau untuk tujuan pelindung dan dekoratif (galvanisasi, pelapisan kromium, pelapisan nikel).

Gas alam yang mudah terbakar yang kita gunakan di rumah untuk memasak tidak berwarna dan tidak berbau. Oleh karena itu, akan sulit untuk segera mengetahui adanya kebocoran gas. Dan jika terjadi kebocoran karena difusi, gas menyebar ke seluruh ruangan. Sedangkan pada perbandingan gas dengan udara tertentu dalam ruangan tertutup akan terbentuk campuran yang dapat meledak, misalnya dari korek api yang menyala. Gas tersebut juga dapat menyebabkan keracunan.

Untuk membuat aliran gas ke dalam ruangan terlihat, di stasiun distribusi, gas yang mudah terbakar dicampur terlebih dahulu dengan zat khusus yang memiliki bau tidak sedap yang tajam, yang mudah dirasakan oleh seseorang bahkan pada konsentrasi yang sangat rendah. Tindakan pencegahan ini memungkinkan Anda dengan cepat melihat akumulasi gas di dalam ruangan jika terjadi kebocoran.

Dalam industri modern, pembentukan vakum digunakan, metode pembuatan produk dari termoplastik lembaran. Produk dari konfigurasi yang diperlukan diperoleh karena perbedaan tekanan yang terjadi akibat penghalusan dalam rongga cetakan, di mana lembaran tersebut dipasang. Ini digunakan, misalnya, dalam produksi wadah, bagian lemari es, kotak instrumen. Karena difusi dengan cara ini, dimungkinkan untuk mengelas sesuatu yang tidak dapat dilas dengan sendirinya (logam dengan kaca, kaca dan keramik, logam dan keramik, dan banyak lagi).

Karena difusi berbagai isotop uranium melalui membran berpori, bahan bakar untuk reaktor nuklir telah diperoleh. Kadang-kadang bahan bakar nuklir disebut bahan bakar nuklir.

Penyerapan (resorpsi) zat ketika dimasukkan ke dalam jaringan subkutan, ke dalam otot atau ketika diterapkan pada selaput lendir mata, hidung, kulit saluran telinga terjadi terutama karena difusi. Ini adalah dasar untuk penggunaan banyak zat obat, dan penyerapan di otot terjadi lebih cepat daripada di kulit.

Kebijaksanaan rakyat mengatakan: "potong sabit sampai embun." Katakan padaku, apa hubungan difusi dan pemotongan pagi hari dengan itu? Penjelasannya sangat sederhana. Selama embun pagi, tekanan turgor rumput meningkat, stomata terbuka, batang elastis, yang memudahkan pemotongannya (rumput yang dipotong dengan stomata tertutup mengering lebih buruk).

Dalam hortikultura, ketika menanam dan mencangkok tanaman pada bagian-bagian, karena difusi, kalus terbentuk (dari bahasa Latin Kalus - jagung) - jaringan luka dalam bentuk masuknya ke lokasi kerusakan dan mempercepat penyembuhannya, memastikan fusi bagian batang bawah dengan batang bawah.

Kalus digunakan untuk mendapatkan kultur jaringan yang diisolasi (eksplanasi). Ini adalah metode pengawetan dan penanaman jangka panjang dalam media nutrisi khusus sel, jaringan, organ kecil atau bagiannya yang diisolasi dari tubuh manusia, hewan, dan tumbuhan. Ini didasarkan pada metode menumbuhkan kultur mikroorganisme yang menyediakan asepsis, nutrisi, pertukaran gas, dan pembuangan produk metabolisme dari objek yang dibudidayakan. Salah satu keunggulan metode kultur jaringan adalah kemampuan mengamati aktivitas vital sel dengan menggunakan mikroskop. Untuk ini, jaringan tanaman ditumbuhkan pada media nutrisi yang mengandung auksin dan sitokinin. Kalus biasanya terdiri dari sel-sel homogen yang berdiferensiasi buruk dari jaringan pendidikan, tetapi dengan perubahan kondisi pertumbuhan, terutama kandungan fitohormon dalam media nutrisi, pembentukan floem, xilem dan jaringan lain dimungkinkan di dalamnya, serta perkembangannya. berbagai organ dan seluruh tanaman.

II.7. Desain percobaan individu.

Dengan menggunakan literatur ilmiah, saya mencoba mengulangi eksperimen yang paling menarik bagi saya. Mekanisme difusi dan hasil percobaan tersebut saya gambarkan dalam bentuk model animasi.

PENGALAMAN 1. Ambil dua tabung reaksi: satu setengah diisi dengan air, setengah lainnya diisi dengan pasir. Tuang air ke dalam tabung reaksi dengan pasir. Volume campuran air dan pasir dalam tabung reaksi lebih kecil dari jumlah volume air dan pasir.

PENGALAMAN 2. Isi setengah tabung gelas panjang dengan air, lalu tuangkan alkohol berwarna di atasnya. Tandai level total cairan dalam tabung dengan cincin karet. Setelah mencampur air dan alkohol, volume campuran berkurang.

(Eksperimen 1 dan 2. membuktikan bahwa ada celah di antara partikel materi; selama difusi, mereka diisi dengan partikel materi - alien.)

PENGALAMAN 3. Kami akan membawa kapas yang dibasahi dengan amonia ke dalam kontak dengan kapas yang dibasahi dengan indikator fenolftalein. Kami mengamati pewarnaan bulu dalam warna raspberry.

Sekarang kapas yang dibasahi dengan amonia ditempatkan di bagian bawah bejana kaca, dan dibasahi dengan fenolftalein. Kami pasang tutupnya dan tutup bejana kaca dengan tutup ini. Setelah beberapa waktu, kapas yang dibasahi dengan fenolftalein mulai ternoda.

Sebagai hasil interaksi dengan amonia, fenolftalein berubah menjadi merah tua, yang kami amati saat kapas bersentuhan. Tetapi mengapa, dalam kasus kedua, kapas yang dibasahi dengan fenolftalein. Itu juga ternoda, karena sekarang bulu domba tidak bersentuhan? Jawaban: gerakan partikel materi yang terus-menerus kacau.

PENGALAMAN 4. Di sepanjang dinding di dalam bejana silinder tinggi, turunkan selembar kertas saring sempit yang diresapi dengan campuran pasta kanji dengan larutan indikator fenolftalein. Tempatkan kristal yodium di bagian bawah bejana. Tutup bejana dengan rapat dengan penutup, di mana kapas yang dibasahi larutan amonia ditangguhkan.

Karena interaksi yodium dengan pati, warna biru-ungu muncul di selembar kertas. Pada saat yang sama, warna merah menyebar ke bawah - bukti pergerakan molekul amonia. Setelah beberapa menit, batas area berwarna kertas akan bertemu, dan kemudian warna biru dan merah tua akan bercampur, sehingga terjadi difusi.[10]

PENGALAMAN 5.(mereka menghabiskannya bersama) Ambil jam tangan kedua, pita pengukur, sebotol air toilet dan berdiri di berbagai sudut ruangan. Seseorang mencatat waktu dan membuka vial. Catatan lain saat dia mencium bau air toilet. Dengan mengukur jarak antara pelaku eksperimen, kami menemukan laju difusi. Untuk akurasi, percobaan diulang 3-4 kali, dan nilai rata-rata kecepatan ditemukan. Jika jarak antar peneliti 5 meter, maka baunya akan terasa setelah 12 menit. Artinya, laju difusi dalam hal ini adalah 2,4 m/menit.

PENGALAMAN 6. PENENTUAN VISKOSITAS PLASMA DENGAN METODE PLASMOLISIS (menurut P.A. Genkel).

kecepatan maju plasmolisis cembung dalam sel tumbuhan, ketika diperlakukan dengan larutan hipertanik, tergantung pada viskositas sitoplasma; semakin rendah viskositas sitoplasma, semakin cepat plasmolisis cekung berubah menjadi cembung. Viskositas sitoplasma bergantung pada tingkat dispersi partikel koloid dan hidrasinya, pada kandungan air dalam sel, pada umur sel, dan faktor lainnya.

Kemajuan. Buat potongan tipis kulit ari dari daun lidah buaya, atau kupas kulit ari dari sisik bawang yang lembut. Bagian yang telah disiapkan diwarnai dalam kaca arloji selama 10 menit dalam larutan merah netral dengan konsentrasi 1:5000. Kemudian potongan-potongan objek ditempatkan pada slide kaca dalam setetes sukrosa dengan konsentrasi rendah dan ditutup dengan satu kaca penutup. Di bawah mikroskop, keadaan plasmolisis dicatat. Pertama, plasmolisis cekung dicatat dalam sel. Di masa depan, bentuk ini dipertahankan, atau, dengan satu atau lain kecepatan, berubah menjadi bentuk cembung. Penting untuk mencatat waktu transisi dari plasmolisis cekung ke cembung. Interval waktu di mana plasmolisis cekung berubah menjadi cembung merupakan indikator tingkat viskositas protoplasma. Semakin lama waktu transisi ke cembung plasmolisis, semakin besar viskositas plasma. Plasmolisis dalam sel bawang dimulai lebih cepat daripada di kulit lidah buaya. Artinya sitoplasma sel lidah buaya lebih kental.

PENGALAMAN 7. PLASMOLISIS. DEPLAMOLISIS. PENETRASI ZAT KE DALAM VAKUOL [2]

Beberapa zat organik dengan cepat menembus ke dalam vakuola. Di dalam sel, ketika disimpan dalam larutan zat semacam itu, plasmolisis relatif cepat hilang dan terjadi deplasmolisis.

Deplasmolisis adalah pemulihan turgor dalam sel(yaitu, kebalikan dari plasmolisis).

Kemajuan. Potongan epidermis atas sisik bawang yang dicat (sisi cekung) ditempatkan dalam setetes larutan pupuk urea atau gliserin 1 M untuk tanaman langsung pada slide kaca, ditutup dengan kaca penutup. Setelah 15-30 menit, objek diperiksa di bawah mikroskop. Sel plasmolisis terlihat jelas. Tinggalkan bagian dalam setetes larutan selama 30-40 menit lagi. Kemudian mereka diperiksa lagi di bawah mikroskop dan deplasmolisis diamati - pemulihan turgor.

Kesimpulan : Tumbuhan tidak dapat secara tepat mengontrol jumlah bahan kimia yang masuk dan keluar sel.

AKU AKU AKU. Kesimpulan.

Hukum difusi tunduk pada proses pergerakan fisik dan kimia unsur-unsur di bagian dalam bumi dan di alam semesta, serta proses aktivitas vital sel dan jaringan organisme hidup. Difusi memainkan peran penting dalam berbagai bidang ilmu pengetahuan dan teknologi, dalam proses yang terjadi di alam hidup dan mati. Difusi memengaruhi jalannya banyak reaksi kimia, serta banyak proses dan fenomena fisik dan kimia: membran, penguapan, kondensasi, kristalisasi, pembubaran, pembengkakan, pembakaran, katalitik, kromatografi, pendaran, listrik dan optik dalam semikonduktor, moderasi neutron dalam nuklir reaktor dll. Difusi sangat penting dalam pembentukan lapisan listrik ganda pada batas fase, difusioforesis dan elektroforesis, dalam proses fotografi untuk akuisisi gambar cepat, dll. Difusi adalah dasar untuk banyak operasi teknis umum: sintering bubuk, perlakuan kimia-termal dari logam, metalisasi dan pengelasan bahan, penyamakan kulit dan bulu, pewarnaan serat, gas bergerak dengan pompa difusi. Peran difusi telah meningkat secara signifikan karena kebutuhan untuk membuat bahan dengan sifat yang telah ditentukan sebelumnya untuk mengembangkan bidang teknologi (energi nuklir, kosmonautika, radiasi dan proses kimia plasma, dll.). Mengetahui hukum yang mengatur difusi memungkinkan untuk mencegah perubahan yang tidak diinginkan pada produk yang terjadi di bawah pengaruh beban dan suhu tinggi, iradiasi, dan banyak lagi ...

Apa jadinya dunia tanpa difusi? Hentikan pergerakan termal partikel - dan segala sesuatu di sekitarnya akan mati!

Dalam pekerjaan saya, saya meringkas materi yang dikumpulkan pada topik abstrak dan menyiapkan presentasi yang dibuat di editor Power Point untuk pembelaannya. Presentasi ini menurut saya akan dapat mendiversifikasi materi pelajaran tentang topik ini. Beberapa percobaan yang dijelaskan dalam literatur diulangi dan sedikit dimodifikasi oleh saya. Contoh difusi yang paling menarik disajikan pada slide presentasi dalam model animasi.

IV. Buku Bekas:

1. V. F. Antonov, A. M. Chernysh, V. I. Pasechnik, dkk., Biofisika.

M., Arktos-Vika-press, 1996

2. Afanasiev Yu.I., Yurina N.A., Kotovsky E.F. dll. Histologi.

M. Kedokteran, 1999.

3. Alberts B., Bray D., Lewis J. et al.Biologi molekuler sel.

Dalam 3 volume. Volume 1.M., Mir, 1994.

4. Ensiklopedia Hebat Cyril dan Methodius 2006

5. Varikash V.M. dll. Fisika di alam liar. Minsk, 1984.

6.Demyankov E.N. Tugas dalam biologi. M.Vlados, 2004.

7. Nikolaev N.I. Difusi dalam membran. M. Kimia, 1980, hal.76

8. Peryshkin A.V. Fisika. 7. M. Bustard, 2004.

9. Kamus Ensiklopedia Fisik, M., 1983, hlm. 174-175, 652, 754

10. Shablovsky V. Menghibur fisika. Petersburg, "trigon" 1997, hal.416

11.xttp//bio. fizten/ru./

12.xttp//markiv. narod.ru/

13. "http://en.wikipedia.org/wiki/%D0%94%D0%B8%D1%84%D1%84%D1%83%D0%B7%D0%B8%D1%8F" Kategori: Fenomena di tingkat atom | Fenomena termodinamika | Fenomena transfer | Difusi

Perkenalan
1. Konsep dan pola difusi
1.1 Konsep proses difusi ……………………………………………….. 5
1.2 Pola difusi ………………………………………………6
2. Penggunaan proses difusi
2.1 Difusi dalam pengolahan logam ………………………………………………………8
2.2 Plasmolisis……………………………………………………………………………… 11
2.3 Osmosis……………………………………………………………………………………… 11
3. Penerapan difusi dalam produksi………………………………………... 13
4. Penerapan difusi dalam kedokteran. Alat "ginjal buatan"…..15
5. Penerapan difusi dalam rekayasa………………………………………………...16
Kesimpulan
Daftar literatur yang digunakan

Perkenalan

Topik makalah saya adalah: "Proses difusi dan penggunaannya dalam teknologi".

Difusi adalah fenomena alam yang mendasar. Itu mendasari transformasi materi dan energi. Manifestasinya terjadi di semua tingkat organisasi sistem alam di planet kita, mulai dari tingkat partikel elementer, atom dan molekul, dan diakhiri dengan geosfer. Ini banyak digunakan dalam teknologi, dalam kehidupan sehari-hari.
Inti dari difusi adalah pergerakan partikel medium, yang mengarah pada transfer zat dan pemerataan konsentrasi atau pembentukan distribusi keseimbangan partikel dari jenis tertentu dalam medium. Difusi molekul dan atom karena gerakan termal mereka. .
Proses difusi adalah salah satu mekanisme perwujudan hukum kedua termodinamika, yang menurutnya setiap sistem cenderung bergerak ke keadaan yang lebih seimbang, yaitu keadaan stabil yang ditandai dengan peningkatan entropi dan energi minimum.
Difusi adalah salah satu proses teknologi terpenting dalam pembuatan semua jenis perangkat elektronik dan sirkuit mikro.

Difusi adalah proses mendasar yang mendasari berfungsinya sistem kehidupan di setiap tingkat organisasi, dari tingkat partikel elementer (difusi elektronik) hingga tingkat biosfer (sirkulasi zat di biosfer).

Fenomena difusi banyak digunakan dalam praktik. Dalam kehidupan sehari-hari - menyeduh teh, mengawetkan sayuran, membuat selai. Dalam produksi - proses karburasi (... bagian baja, untuk meningkatkan kekerasan dan ketahanan panasnya), proses aluminisasi dan oksidasi.

Tujuan dari mata kuliah ini adalah untuk mengenal konsep proses difusi dan difusi, menganalisis penggunaannya dalam produksi, teknologi, kedokteran. Mempertimbangkan kekhususan topik ini dan kisaran masalah yang diangkat, struktur karya memungkinkan untuk secara konsisten menjawab pertanyaan teoretis di bagian pertama, dan di bagian kedua untuk mempelajari penggunaan praktis proses difusi.

1. Konsep dan pola difusi

1.1 Konsep proses difusi

Proses penetrasi partikel (molekul, atom, ion) dari satu zat antara partikel zat lain karena gerakan kacau disebut difusi. Jadi, difusi adalah hasil dari pergerakan kacau semua partikel materi, dari setiap tindakan mekanis.

Karena partikel bergerak dalam gas, cairan, dan padatan, difusi dimungkinkan dalam zat-zat ini. Difusi adalah transfer materi karena penyelarasan spontan dari konsentrasi atom atau molekul yang tidak homogen dari berbagai jenis. Jika bagian dari berbagai gas dibiarkan masuk ke dalam bejana, maka setelah beberapa saat semua gas tercampur secara merata: jumlah molekul dari setiap jenis per satuan volume bejana akan menjadi konstan, konsentrasinya akan merata (Gbr. 1)

Difusi dijelaskan sebagai berikut. Pertama, antara dua badan, antarmuka antara dua media terlihat jelas (Gbr. 1a). Kemudian, karena pergerakannya, masing-masing partikel zat yang terletak di dekat batas bertukar tempat. Batas antara zat kabur (Gbr. 1b). Setelah menembus partikel zat lain, partikel zat pertama mulai bertukar tempat dengan partikel zat kedua, yang berada di lapisan yang semakin dalam. Antarmuka antara zat menjadi lebih kabur. Karena pergerakan partikel yang terus menerus dan acak, proses ini akhirnya mengarah pada fakta bahwa larutan dalam bejana menjadi homogen (Gbr. 1c).

Gbr.1. Penjelasan fenomena difusi.

Difusi partikel besar yang tersuspensi dalam gas atau cairan (misalnya, partikel Asap atau Suspensi) dilakukan karena gerakan Browniannya. Berikut ini, kecuali dinyatakan lain, yang kami maksud adalah difusi molekuler.

Difusi memainkan peran penting dalam kinetika kimia dan teknologi. Ketika reaksi kimia terjadi pada permukaan katalis atau salah satu reaktan (misalnya, pembakaran batu bara), difusi dapat menentukan laju pasokan reaktan lain dan penghilangan produk reaksi, yaitu dapat menjadi penentu (pembatas). ) proses. Untuk penguapan dan kondensasi, pembubaran kristal dan kristalisasi, difusi biasanya menjadi penentu. Proses difusi gas melalui partisi berpori atau ke jet uap digunakan untuk pemisahan isotop. Difusi mendasari banyak proses teknologi - adsorpsi, sementasi, dll. Pengelasan difusi, metalisasi difusi banyak digunakan.

Dalam larutan cair, difusi molekul pelarut melalui partisi semi-permeabel (membran) menyebabkan munculnya tekanan osmotik, yang digunakan dalam metode pemisahan zat fisikokimia.

1.2 Pola difusi

Perbedaan konsentrasi adalah kekuatan pendorong difusi. Jika konsentrasinya sama di mana-mana, tidak ada perpindahan materi yang menyebar. Pemerataan konsentrasi sebagai akibat dari difusi hanya terjadi tanpa adanya gaya eksternal. Jika ada perbedaan konsentrasi bersama dengan perbedaan suhu, dalam medan listrik atau dalam kondisi di mana gravitasi signifikan (dengan perbedaan ketinggian yang besar), pemerataan konsentrasi tidak diperlukan. Contohnya adalah penurunan kepadatan udara dengan ketinggian.

Mari beralih ke pengalaman. Dua gelas diisi air, tetapi yang satu dingin dan yang lain panas. Celupkan kantong teh ke dalam gelas secara bersamaan. Sangat mudah untuk melihat bahwa dalam air panas, teh mewarnai air lebih cepat, difusi berlangsung lebih cepat. Laju difusi meningkat dengan meningkatnya suhu, karena molekul-molekul benda yang berinteraksi mulai bergerak lebih cepat.

Difusi terjadi paling cepat dalam gas, lebih lambat dalam cairan, dan bahkan lebih lambat dalam padatan, yang disebabkan oleh sifat gerak termal partikel dalam media ini. Lintasan setiap partikel gas adalah garis putus-putus, karena Ketika partikel bertabrakan, mereka mengubah arah dan kecepatan gerakan mereka. Gangguan gerak mengarah pada fakta bahwa setiap partikel secara bertahap bergerak menjauh dari tempatnya, dan perpindahannya di sepanjang garis lurus jauh lebih sedikit daripada jalur yang dilalui di sepanjang garis putus-putus. Oleh karena itu, penetrasi difusi jauh lebih lambat daripada gerakan bebas (laju penyebaran bau, misalnya, jauh lebih kecil daripada kecepatan molekul). Dalam cairan, sesuai dengan sifat gerak termal molekul, difusi dilakukan dengan lompatan molekul dari satu posisi kesetimbangan sementara ke posisi kesetimbangan lainnya. Setiap lompatan terjadi ketika energi diberikan ke molekul yang cukup untuk memutuskan ikatannya dengan molekul tetangga dan pindah ke lingkungan molekul lain (ke posisi baru yang menguntungkan secara energik). Rata-rata, lompatannya tidak melebihi jarak antarmolekul. Gerak difusi partikel dalam cairan dapat dianggap sebagai gerak dengan gesekan. Koefisien difusi dalam cairan meningkat dengan suhu, yang disebabkan oleh "pelonggaran" struktur cairan selama pemanasan dan peningkatan yang sesuai dalam jumlah lompatan per satuan waktu.

Dalam benda padat, beberapa mekanisme dapat beroperasi: pertukaran tempat atom dengan kekosongan (simpul kosong dari kisi kristal), pergerakan atom di sepanjang celah, gerakan siklik simultan beberapa atom, pertukaran langsung tempat dua atom tetangga, dll. Mekanisme pertama berlaku, misalnya, dalam pembentukan larutan padat substitusi, yang kedua - larutan padat interstisial. Peningkatan jumlah cacat (terutama kekosongan) memfasilitasi pergerakan atom dalam padatan, difusi, dan menyebabkan peningkatan koefisien difusi. Koefisien difusi dalam padatan dicirikan oleh ketergantungan yang tajam (eksponensial) pada suhu. Jadi, koefisien difusi seng menjadi tembaga meningkat dengan faktor 1014 ketika suhu naik dari 20 menjadi 300°C.

Semua metode eksperimental untuk menentukan koefisien difusi mengandung dua poin utama: membawa zat yang berdifusi ke dalam kontak dan menganalisis komposisi zat yang diubah oleh difusi. Komposisi (konsentrasi zat terdifusi) ditentukan secara kimia, optik (dengan mengubah indeks bias atau penyerapan cahaya), spektroskopi massa, dengan metode atom berlabel, dll.

2. Penggunaan proses difusi

2.1 Difusi dalam pengolahan logam

Metalisasi difusi adalah proses saturasi difusi permukaan produk dengan logam atau metaloid. Saturasi difusi dilakukan dalam campuran bubuk, media gas atau logam cair (jika logam memiliki titik leleh rendah).

Boriding - saturasi difusi permukaan logam dan paduan dengan boron untuk meningkatkan kekerasan, ketahanan korosi, ketahanan aus dilakukan dengan elektrolisis dalam garam boron cair. Boriding memberikan kekerasan permukaan yang sangat tinggi, ketahanan aus, meningkatkan ketahanan korosi dan ketahanan panas. Baja boron memiliki ketahanan korosi yang tinggi dalam larutan encer asam klorida, sulfat, dan fosfat. Boriding digunakan untuk bagian besi tuang dan baja yang beroperasi di bawah kondisi gesekan di lingkungan yang agresif (dalam teknik kimia).

Aluminisasi adalah proses difusi penjenuhan lapisan permukaan dengan aluminium, dilakukan dalam campuran bubuk aluminium atau aluminium cair. Tujuannya adalah untuk mendapatkan ketahanan panas yang tinggi pada permukaan bagian baja. Aluminisasi dilakukan dalam media padat dan cair.

Silikonisasi - saturasi difusi dengan silikon dilakukan dalam atmosfer gas. Lapisan silikon jenuh dari bagian baja tidak memiliki kekerasan yang sangat tinggi, tetapi ketahanan korosi yang tinggi dan peningkatan ketahanan aus dalam air laut, asam nitrat, asam klorida dalam asam sulfat. Bagian silikon digunakan dalam industri kimia, pulp dan kertas dan minyak. Untuk meningkatkan ketahanan panas, silikonisasi digunakan untuk produk yang terbuat dari paduan berbasis molibdenum dan tungsten, yang memiliki ketahanan panas tinggi.

Proses difusi dalam logam memainkan peran penting. Jika dua logam didekatkan dengan seberkas pengendapan atau pengepresan bubuk dari satu logam dengan logam lainnya dan mengalami suhu yang cukup tinggi, maka masing-masing dari kedua logam ini akan berdifusi ke logam lainnya. Jika salah satu logamnya cair, maka secara bersamaan ia berdifusi ke dalam padatan dan melarutkannya.

Jika kita melanjutkan dari logam murni, maka keseluruhan fase dari kedua logam terbentuk di lapisan tengah, biasanya terpisah dari campuran fase batas. Perbedaan konsentrasi pada masing-masing lapisan sangat berbeda; laju difusi karena itu sangat tergantung pada struktur kisi. Dalam kasus rangkaian larutan padat yang kontinu, laju difusi juga bergantung pada komposisi curah; dengan demikian, difusi tembaga menjadi nikel dengan titik leleh tinggi jauh lebih lambat daripada difusi nikel menjadi tembaga. Dalam logam yang sama, logam lain berdifusi, seperti yang ditunjukkan oleh percobaan Gevez dan Septs dengan timbal, dengan kecepatan yang lebih besar, semakin jauh mereka dalam kelompok mereka dalam sistem periodik dari satu sama lain (semakin jauh valensinya). Dengan menggunakan isotop timbal radioaktif, juga dapat ditetapkan bahwa atom homogen bertukar tempat dengan sangat lambat. Fakta autodifusi ini dengan jelas menunjukkan pergerakan atom logam pada suhu tinggi, yang juga menjadi dasar kristalisasi dan pertumbuhan kristal.