Dintre numeroasele fenomene din fizică, procesul de difuzie este unul dintre cele mai simple și mai înțelese. La urma urmei, în fiecare dimineață, pregătindu-se un ceai sau cafea parfumată, o persoană are ocazia să observe această reacție în practică. Să aflăm mai multe despre acest proces și condițiile pentru apariția lui în diferite stări de agregare.

Ce este difuzia

Acest cuvânt se referă la pătrunderea moleculelor sau atomilor unei substanțe între unități structurale similare ale alteia. În acest caz, concentrația de compuși penetranți este nivelată.

Acest proces a fost descris pentru prima dată în detaliu de omul de știință german Adolf Fick în 1855.

Numele acestui termen a fost derivat din latinescul diffusio (interacțiune, dispersie, distribuție).

Difuzie în lichid

Procesul luat în considerare poate avea loc cu substanțe în toate cele trei stări de agregare: gazoasă, lichidă și solidă. Pentru a găsi exemple practice în acest sens, priviți în bucătărie.

Borșul fiert la sobă este unul dintre ele. Sub influența temperaturii, moleculele de glucozină betanină (o substanță datorită căreia sfecla are o culoare stacojie atât de bogată) reacționează uniform cu moleculele de apă, dându-i o nuanță unică de visiniu. Acest caz este în lichide.

Pe lângă borș, acest proces poate fi văzut și într-un pahar de ceai sau cafea. Ambele băuturi au o nuanță atât de uniformă și bogată datorită faptului că frunzele de ceai sau particulele de cafea, dizolvate în apă, se răspândesc uniform între moleculele sale, colorându-le. Acțiunea tuturor băuturilor instant populare din anii 90 este construită pe același principiu: Yupi, Invite, Zuko.

Interpenetrarea gazelor

Atomii și moleculele purtătoare de miros sunt în mișcare activă și, ca urmare, sunt amestecate cu particulele deja în aer și sunt dispersate destul de uniform în volumul încăperii.

Aceasta este o manifestare a difuziei în gaze. Este de remarcat faptul că însăși inhalarea de aer aparține procesului luat în considerare, precum și mirosul apetisant de borș proaspăt preparat din bucătărie.

Difuzia în solide

Masa de bucătărie, pe care stau florile, este acoperită cu o față de masă galben strălucitor. Ea a primit o nuanță similară datorită capacității de difuzie de a avea loc în solide.

Procesul de a conferi pânzei o nuanță uniformă are loc în mai multe etape, după cum urmează.

1. Particule de pigment galben difuzate în rezervorul de colorant către materialul fibros.
2. Apoi au fost absorbite de suprafața exterioară a țesăturii vopsite.
3. Următorul pas a fost din nou difuzarea vopselei, dar de data aceasta în fibrele țesăturii.
4. În final, țesătura a fixat particulele de pigment, devenind astfel colorată.

Difuzia gazelor în metale

De obicei, vorbind despre acest proces, luăm în considerare interacțiunea substanțelor în aceleași stări agregate. De exemplu, difuzia în solide, solide. Pentru a demonstra acest fenomen, se efectuează un experiment cu două plăci metalice presate una pe cealaltă (aur și plumb). Întrepătrunderea moleculelor lor durează destul de mult (un milimetru în cinci ani). Acest proces este folosit pentru a face bijuterii neobișnuite.

Cu toate acestea, compușii în diferite stări agregate sunt, de asemenea, capabili să se difuzeze. De exemplu, există difuzie de gaze în solide.

În timpul experimentelor, s-a dovedit că un proces similar are loc în starea atomică. Pentru a-l activa, de regulă, este necesară o creștere semnificativă a temperaturii și presiunii.

Un exemplu de astfel de difuzie gazoasă în solide este coroziunea hidrogenului. Se manifestă în situațiile în care atomi de hidrogen (H 2) care au apărut în cursul unei reacții chimice sub influența temperaturilor ridicate (de la 200 la 650 de grade Celsius) pătrund între particulele structurale ale metalului.

Pe lângă hidrogen, difuzia oxigenului și a altor gaze poate avea loc și în solide. Acest proces, insesizabil pentru ochi, aduce mult rău, deoarece structurile metalice se pot prăbuși din cauza lui.

Difuzia lichidelor în metale

Cu toate acestea, nu numai moleculele de gaz pot pătrunde în solide, ci și în lichide. Ca și în cazul hidrogenului, cel mai adesea acest proces duce la coroziune (dacă vorbim de metale).

Un exemplu clasic de difuzie lichidă în solide este coroziunea metalelor sub influența apei (H 2 O) sau a soluțiilor de electroliți. Pentru majoritatea, acest proces este mai familiar sub numele de rugină. Spre deosebire de coroziunea cu hidrogen, în practică aceasta trebuie întâlnită mult mai des.

Condiții pentru accelerarea difuziei. Coeficientul de difuzie

După ce s-a ocupat de substanțele în care poate avea loc procesul în cauză, merită să învățați despre condițiile de apariție a acestuia.

În primul rând, viteza de difuzie depinde de starea de agregare a substanțelor care interacționează. Cu cât o reacție are loc mai mult, cu atât viteza acesteia este mai lentă.

În acest sens, difuzia în lichide și gaze va fi întotdeauna mai activă decât în ​​solide.

De exemplu, dacă cristalele de permanganat de potasiu KMnO 4 (permanganat de potasiu) sunt aruncate în apă, acestea îi vor da o culoare purpurie frumoasă în câteva minute. Totuși, dacă presărați o bucată de gheață cu cristale de KMnO 4 și puneți totul la congelator, după câteva ore, permanganatul de potasiu nu va putea colora complet H 2 O înghețat.

Din exemplul anterior se mai poate trage o concluzie despre condițiile de difuzie. Pe lângă starea de agregare, viteza de întrepătrundere a particulelor este, de asemenea, afectată de temperatură.

Pentru a lua în considerare dependența procesului luat în considerare de acesta, merită să învățați despre un astfel de concept precum coeficientul de difuzie. Acesta este numele caracteristicii cantitative a vitezei sale.

În majoritatea formulelor, este notat cu litera latină majusculă D, iar în sistemul SI se măsoară în metri pătrați pe secundă (m² / s), uneori în centimetri pe secundă (cm 2 / m).

Coeficientul de difuzie este egal cu cantitatea de materie împrăștiată printr-o unitate de suprafață pe o unitate de timp, cu condiția ca diferența de densitate pe ambele suprafețe (situate la o distanță egală cu o unitate de lungime) să fie egală cu unu. Criteriile care determină D sunt proprietățile substanței în care are loc însuși procesul de împrăștiere a particulelor și tipul acestora.

Dependența coeficientului de temperatură poate fi descrisă folosind ecuația Arrhenius: D = D 0exp (-E/TR).

În formula considerată, E este energia minimă necesară pentru activarea procesului; T - temperatura (măsurată în Kelvin, nu Celsius); R este constanta gazului caracteristică unui gaz ideal.

Pe lângă toate cele de mai sus, viteza de difuzie în solide, lichide în gaze este afectată de presiune și radiație (inductivă sau de înaltă frecvență). În plus, mult depinde de prezența unei substanțe catalitice, adesea acționând ca un mecanism de declanșare pentru începerea dispersiei active a particulelor.

Ecuația de difuzie

Acest fenomen este o formă particulară a unei ecuații diferențiale cu derivate parțiale.

Scopul său este de a găsi dependența concentrației unei substanțe de mărimea și coordonatele spațiului (în care difuzează), precum și de timp. În acest caz, coeficientul dat caracterizează permeabilitatea mediului pentru reacție.

Cel mai adesea, ecuația de difuzie se scrie astfel: ∂φ (r,t)/∂t = ∇ x .

În ea φ (t și r) este densitatea materialului de împrăștiere în punctul r la momentul t. D (φ, r) este coeficientul de difuzie generalizat la densitatea φ în punctul r.

∇ este un operator diferenţial vectorial ale cărui componente de coordonate sunt derivate parţiale.

Când coeficientul de difuzie este dependent de densitate, ecuația este neliniară. Când nu - liniar.

Luând în considerare definiția difuzării și caracteristicile acestui proces în diferite medii, se poate observa că are atât laturi pozitive, cât și negative.

Tot ceea ce ni se întâmplă nouă și în jurul nostru trezește mereu interes. Unul dintre procesele interesante de care mulți oameni sunt interesați este difuzarea. Dacă vă întrebați ce este difuzarea, atunci articolul nostru vă va fi util.

Ce este difuzia?

Difuzia este procesul prin care un amestec se deplasează dintr-o zonă de concentrație mare într-o zonă de concentrație scăzută. Motivul pentru aceasta este mișcarea atomilor și a moleculelor. De obicei, cauza este căldura, sub influența căreia are loc întregul proces. Se termină când se termină gradientul de concentrație.

Difuzia gazelor și lichidelor are loc rapid, ceea ce nu se poate spune despre solide. Acest lucru este ușor de văzut în viața de zi cu zi, deoarece încălzirea apei este mult mai rapidă decât topirea plasticului. Pentru comparație, mulți oameni îl amestecă cu permanganat de potasiu, care colorează lichidul în câteva secunde. Dar nu mai este posibil să faci asta cu plastilină. Dacă două bucăți de plastilină sunt amestecate, atunci pentru ca acestea să interacționeze, este necesar să depuneți mult efort. Acest lucru confirmă încă o dată că viteza de difuzie poate fi diferită. Materialele sintetice sunt supuse unei difuzii slabe, în timp ce materialele metalice sunt invers.

Difuzia poate fi particule care se află întotdeauna în substanță. Substanțele străine sunt, de asemenea, supuse acestui proces.

Cum se induce difuzia?

Pentru ca difuzia să aibă loc în gaze și lichide, trebuie aplicată mișcarea browniană. Este mișcarea moleculelor sub influența temperaturilor ridicate.

O pompă de difuzie poate fi utilizată pentru a induce difuzia solidelor. Există ulei în el, care se încălzește și crește, iar pomparea are loc deja acolo. În acest moment, vaporii trec în sus și coboară prin canalele speciale ale pompei pentru răcire. Pe parcurs, captează gazele și le iau cu ele. Aburul se condensează și curge într-un recipient special. Toate acestea vă permit să obțineți o presiune minimă.

Tipuri de difuzie

Difuzia poate fi:

• coloidal;
• convectiv;
• cuantic;
• turbulent.

Primul tip de difuzie este un proces care are loc în solide. Turbulent este transferul celor mai mici particule într-un flux turbulent. Difuzia cuantică este observată acolo unde sunt temperaturi foarte scăzute și este prezent condens. Difuzia convectivă are loc atunci când particulele se deplasează printr-un mediu care se mișcă, de asemenea, cu o anumită viteză.

Este adesea posibil de observat modul în care fenomenele sunt atribuite difuziei în timpul căreia particulele nu sunt transferate. De exemplu, în optică, se poate întâlni procesul de transfer al radiațiilor într-un mediu care se caracterizează prin neomogenitate. Acest proces trebuie să fie însoțit de absorbția fotonilor, care se numește difuzie.

Unde poți vedea difuzarea în viața reală?

Cel mai simplu exemplu al modului în care funcționează difuzia este respirația noastră. Oxigenul intră în plămânii noștri când se deschid și apoi se deplasează în sânge. Cu ajutorul difuziei, dioxidul de carbon nu se acumulează în jurul unei persoane, ci se amestecă cu oxigenul și se dispersează uniform prin aer. Acest proces poate fi observat în alte domenii ale vieții.

Difuzia

Un exemplu de difuzie este amestecarea gazelor (de exemplu, răspândirea mirosurilor) sau a lichidelor (dacă aruncați cerneală în apă, lichidul va deveni uniform colorat după un timp). Un alt exemplu este legat de un corp solid: atomii metalelor alăturate sunt amestecați la limita de contact. Difuzia particulelor joacă un rol important în fizica plasmei.

De obicei, difuzia este înțeleasă ca procese însoțite de transferul de materie, totuși, uneori, alte procese de transfer sunt numite și difuzie: conductivitate termică, frecare vâscoasă etc.

Rata de difuzie depinde de mulți factori. Deci, in cazul unei tije metalice, difuzia termica are loc foarte repede. Dacă tija este din material sintetic, difuzia termică are loc încet. Difuzia moleculelor în cazul general se desfășoară și mai lent. De exemplu, dacă o bucată de zahăr este coborâtă pe fundul unui pahar cu apă și apa nu este amestecată, va dura câteva săptămâni până când soluția devine omogenă. Și mai lentă este difuzarea unui solid în altul. De exemplu, dacă cuprul este acoperit cu aur, atunci va avea loc difuzia aurului în cupru, dar în condiții normale (temperatura camerei și presiunea atmosferică), stratul purtător de aur va atinge o grosime de câțiva microni abia după câteva mii de ani.

O descriere cantitativă a proceselor de difuzie a fost făcută de fiziologul german A. Fick ( Engleză) în 1855

descriere generala

Toate tipurile de difuzie se supun acelorași legi. Rata de difuzie este proporțională cu aria secțiunii transversale a probei, precum și cu diferența de concentrații, temperaturi sau încărcături (în cazul valorilor relativ mici ale acestor parametri). Astfel, căldura va călători de patru ori mai repede printr-o tijă de doi centimetri în diametru decât printr-o tijă de un centimetru în diametru. Această căldură se va răspândi mai repede dacă diferența de temperatură pe centimetru este de 10°C în loc de 5°C. Rata de difuzie este, de asemenea, proporțională cu parametrul care caracterizează un anumit material. În cazul difuziei termice, acest parametru se numește conductivitate termică, în cazul unui flux de sarcini electrice - conductivitate electrică. Cantitatea de substanță care difuzează într-un timp dat și distanța parcursă de substanța care difuzează sunt proporționale cu rădăcina pătrată a timpului de difuzie.

Difuzia este un proces la nivel molecular și este determinat de natura aleatorie a mișcării moleculelor individuale. Viteza de difuzie este deci proporțională cu viteza medie a moleculelor. În cazul gazelor, viteza medie a moleculelor mici este mai mare și anume este invers proporțională cu rădăcina pătrată a masei moleculei și crește odată cu creșterea temperaturii. Procesele de difuzie în solide la temperaturi ridicate găsesc adesea aplicații practice. De exemplu, anumite tipuri de tuburi catodice (CRT) folosesc toriu metalic difuzat prin wolfram metalic la 2000°C.

Dacă într-un amestec de gaze masa unei molecule este de patru ori mai mare decât a celeilalte, atunci o astfel de moleculă se mișcă de două ori mai încet în comparație cu mișcarea sa într-un gaz pur. În consecință, rata sa de difuzie este, de asemenea, mai mică. Această diferență în ratele de difuzie între moleculele ușoare și cele grele este utilizată pentru a separa substanțe cu greutăți moleculare diferite. Un exemplu este separarea izotopilor. Dacă un gaz care conține doi izotopi este trecut printr-o membrană poroasă, izotopii mai ușori pătrund în membrană mai repede decât cei mai grei. Pentru o mai bună separare, procesul se desfășoară în mai multe etape. Acest proces a fost utilizat pe scară largă pentru separarea izotopilor de uraniu (separarea a 235 U de cea mai mare parte a 238 U). Deoarece această metodă de separare este consumatoare de energie, au fost dezvoltate alte metode de separare mai economice. De exemplu, utilizarea difuziei termice într-un mediu gazos este larg dezvoltată. Un gaz care conține un amestec de izotopi este plasat într-o cameră în care se menține o diferență de temperatură spațială (gradient). În acest caz, izotopii grei sunt concentrați în timp în regiunea rece.

Ecuațiile lui Fick

Din punctul de vedere al termodinamicii, potențialul motor al oricărui proces de nivelare este creșterea entropiei. La presiune și temperatură constante, rolul unui astfel de potențial este jucat de potențialul chimic µ , determinând menținerea curgerii materiei. Fluxul particulelor de substanță este proporțional cu gradientul de potențial

~

În majoritatea cazurilor practice, concentrația este utilizată în locul potențialului chimic C. Înlocuire directă µ pe C devine incorectă în cazul concentrațiilor mari, deoarece potențialul chimic încetează să mai fie legat de concentrație conform legii logaritmice. Dacă nu luăm în considerare astfel de cazuri, atunci formula de mai sus poate fi înlocuită cu următoarea:

ceea ce arată că densitatea fluxului materiei J proporțional cu coeficientul de difuzie D[()] și gradientul de concentrație. Această ecuație exprimă prima lege a lui Fick. A doua lege a lui Fick se referă la schimbările spațiale și temporale ale concentrației (ecuația de difuzie):

Coeficientul de difuzie D dependent de temperatură. Într-un număr de cazuri, într-un interval larg de temperatură, această dependență este ecuația Arrhenius.

Un câmp suplimentar aplicat paralel cu gradientul de potențial chimic rupe starea de echilibru. În acest caz, procesele de difuzie sunt descrise de ecuația neliniară Fokker-Planck. Procesele de difuzie sunt de mare importanță în natură:

• Nutriția, respirația animalelor și plantelor;
• Pătrunderea oxigenului din sânge în țesuturile umane.

Descrierea geometrică a ecuației Fick

În a doua ecuație Fick, în partea stângă este rata de modificare a concentrației în timp, iar în partea dreaptă a ecuației este derivata a doua parțială, care exprimă distribuția spațială a concentrației, în special, convexitatea temperaturii. funcția de distribuție proiectată pe axa x.

Vezi si

• Difuzia de suprafață este un proces asociat cu mișcarea particulelor care apar pe suprafața unui corp condensat în primul strat de suprafață de atomi (molecule) sau peste acest strat.

Note

Literatură

• Bokshtein B.S. Atomii rătăcesc prin cristal. - M .: Nauka, 1984. - 208 p. - (Biblioteca „Quantum”, Numărul 28). - 150.000 de exemplare.

Legături

• Difuzie (lectie video, program de clasa a VII-a)
• Difuzia atomilor de impurități pe suprafața unui singur cristal

Fundația Wikimedia. 2010 .

Sinonime:

Vedeți ce este „Difuziunea” în alte dicționare:

- [lat. difuzie distribuţie, răspândire] fizică, chimică. pătrunderea moleculelor unei substanțe (gaz, lichid, solid) în alta prin contactul lor direct sau printr-o partiție poroasă. Dicționar de cuvinte străine. Komlev N.G.,… … Dicționar de cuvinte străine ale limbii ruse

Difuzie- este pătrunderea în mediu a particulelor unei substanțe a particulelor unei alte substanțe, care are loc ca urmare a mișcării termice în direcția scăderii concentrației unei alte substanțe. [Blum E.E. Dicţionar de termeni metalurgici de bază. Ekaterinburg… Enciclopedie de termeni, definiții și explicații ale materialelor de construcție

Enciclopedia modernă

- (din latinescul diffusio spreading spreading, dispersion), mișcarea particulelor de mediu, care duce la transferul de materie și alinierea concentrațiilor sau la stabilirea unei distribuții de echilibru a concentrațiilor de particule de un anumit tip în mediu. În lipsa… … Dicţionar enciclopedic mare

DIFUZIA, mișcarea unei substanțe într-un amestec dintr-o zonă de concentrație mare într-o zonă de concentrație scăzută, cauzată de mișcarea aleatorie a atomilor sau moleculelor individuale. Difuzia se oprește când gradientul de concentrație dispare. Viteza…… Dicționar enciclopedic științific și tehnic

difuziune- si bine. difuzie f. germană. Difuzie lat. difuzio răspândire, răspândire. Pătrunderea reciprocă a substanțelor adiacente unele în altele datorită mișcării termice a moleculelor și atomilor. Difuzia de gaze, lichide. BAS 2. || trans. Ei… … Dicționar istoric al galicismelor limbii ruse

Difuzie- (din latinescul diffusio distribuție, răspândire, dispersie), mișcarea particulelor mediului, ducând la transferul de materie și alinierea concentrațiilor sau stabilirea distribuției lor de echilibru. Difuzia este de obicei determinată de mișcarea termică ...... Dicţionar Enciclopedic Ilustrat

Mișcarea particulelor în direcția scăderii concentrației lor, datorită mișcării termice. D. duce la alinierea concentrațiilor substanței care difuzează și la umplerea uniformă a volumului cu particule. ... ... Enciclopedia Geologică

MOU Zaozernaya școală secundară cu studiu aprofundat al subiectelor individuale nr. 16

Subiect: „Difuzia în natura animată și neînsuflețită”.

Efectuat:

Elevul din clasa a VIII-a Zyabrev Kirill.

Profesor de fizică: Zavyalova G.M.

Profesor de biologie: Zyabreva V.F.

Tomsk - 2008

I. Introducere. …………………………………………………………………… 3

II. Difuzia în natura animată și neînsuflețită.

1. Istoria descoperirii fenomenului. …………………………………. 4

2. Difuzia, tipurile ei. ………………………………………….. 6

3. De ce depinde viteza de difuzie? ……………………….. 7

4. Difuzia în natura neînsuflețită. ……………………………... 8

5. Difuzia în fauna sălbatică. ………………………………………… 9

6. Utilizarea fenomenelor de difuzie. …………………………. 16

7. Proiectarea fenomenelor de difuzie individuale. …………… 17

III. Concluzie. …………………………………………………... 20

IV. Cărți uzate. …………………………………. . 21

I. Introducere.

Câte lucruri uimitoare și interesante se întâmplă în jurul nostru. Stele îndepărtate strălucesc pe cerul nopții, o lumânare arde pe fereastră, vântul poartă aroma de cireș înflorit, o bunica îmbătrânită te vede cu ochii... Vreau să învăț multe, încerc să explic pe cont propriu. La urma urmei, multe fenomene naturale sunt asociate cu procesele de difuzie, despre care am vorbit recent la școală. Dar au spus atât de puțin!

Obiectivele de lucru :

1. Extindeți și aprofundați cunoștințele despre difuzare.

2. Simularea proceselor individuale de difuzie.

3. Creați material suplimentar bazat pe computer pentru a fi utilizat în lecțiile de fizică și biologie.

Sarcini:

1. Găsiți materialul necesar în literatură, internet, studiați-l și analizați-l.

2. Aflați unde apar fenomene de difuzie în natura animată și neînsuflețită (fizică și biologie), ce semnificație au, unde sunt folosite de oameni.

3. Descrieți și proiectați cele mai interesante experimente asupra acestui fenomen.

4. Creați modele de animație ale unor procese de difuzie.

Metode: analiza și sinteza literaturii, design, modelare.

Lucrarea mea constă din trei părți; partea principală este formată din 7 capitole. Am studiat și prelucrat materiale din 13 surse literare, inclusiv literatură educațională, de referință, literatură științifică și site-uri de internet și am pregătit și o prezentare realizată în editorul Power Point.

II. Difuzia în natura animată și neînsuflețită.

II .1. Istoria descoperirii fenomenului de difuzie.

Când a observat o suspensie de polen de flori în apă la microscop, Robert Brown a observat o mișcare haotică a particulelor care apare „nu din mișcarea unui lichid și nu din evaporarea acestuia”. Particulele suspendate de 1 µm sau mai puțin, vizibile numai la microscop, au efectuat mișcări independente dezordonate, descriind traiectorii complexe în zig-zag. Mișcarea browniană nu slăbește cu timpul și nu depinde de proprietățile chimice ale mediului; intensitatea acestuia crește odată cu creșterea temperaturii mediului și cu scăderea vâscozității și a mărimii particulelor. Chiar și o explicație calitativă a cauzelor mișcării browniene a fost posibilă doar 50 de ani mai târziu, când cauza mișcării browniene a început să fie asociată cu impactul moleculelor lichide pe suprafața unei particule suspendate în ea.

Prima teorie cantitativă a mișcării browniene a fost dată de A. Einstein și M. Smoluchowski în 1905-06. bazată pe teoria molecular-cinetică. S-a demonstrat că mersurile aleatorii ale particulelor browniene sunt asociate cu participarea lor la mișcarea termică împreună cu moleculele mediului în care sunt suspendate. Particulele au în medie aceeași energie cinetică, dar datorită masei mai mari au o viteză mai mică. Teoria mișcării browniene explică mișcarea aleatoare a unei particule prin acțiunea forțelor aleatorii din molecule și a forțelor de frecare. Conform acestei teorii, moleculele unui lichid sau gaz sunt în mișcare termică constantă, iar impulsurile diferitelor molecule nu sunt aceleași ca mărime și direcție. Dacă suprafața unei particule plasate într-un astfel de mediu este mică, așa cum este cazul unei particule browniene, atunci impacturile experimentate de particule din moleculele din jur nu vor fi compensate exact. Prin urmare, ca urmare a „bombardamentului” de către molecule, o particulă browniană începe să se miște aleatoriu, schimbând magnitudinea și direcția vitezei sale de aproximativ 1014 ori pe secundă. Din această teorie a rezultat că, măsurând deplasarea unei particule într-un anumit timp și cunoscând raza acesteia și vâscozitatea lichidului, se poate calcula numărul Avogadro.

Concluziile teoriei mișcării browniene au fost confirmate de măsurătorile lui J. Perrin și T. Svedberg în 1906. Pe baza acestor relații au fost determinate experimental constanta Boltzmann și constanta Avogadro. (constanta lui Avogadro notat cu NA, numărul de molecule sau atomi dintr-un mol dintr-o substanță, NA = 6,022,1023 mol-1; nume în cinstea lui A. Avogadro.

constanta Boltzmann, constantă fizică k egal cu raportul constantei universale de gaz R la numărul lui Avogadro N A: k = R / N A = 1,3807,10-23 J/K. Numit după L. Boltzmann.)

Când se observă mișcarea browniană, poziția unei particule este fixată la intervale regulate. Cu cât intervalele de timp sunt mai scurte, cu atât mai întreruptă va arăta traiectoria particulei.

Modelele mișcării browniene servesc ca o confirmare clară a prevederilor fundamentale ale teoriei cinetice moleculare. S-a stabilit în cele din urmă că forma termică a mișcării materiei se datorează mișcării haotice a atomilor sau moleculelor care alcătuiesc corpurile macroscopice.

Teoria mișcării browniene a jucat un rol important în fundamentarea mecanicii statistice; ea stă la baza teoriei cinetice a coagulării (amestecării) soluțiilor apoase. În plus, are și o semnificație practică în metrologie, deoarece mișcarea browniană este considerată principalul factor care limitează acuratețea instrumentelor de măsură. De exemplu, limita de precizie a citirilor unui galvanometru oglindă este determinată de tremurul oglinzii, ca o particulă brownian bombardată de molecule de aer. Legile mișcării browniene determină mișcarea aleatorie a electronilor, provocând zgomot în circuitele electrice. Pierderile dielectrice în dielectrici sunt explicate prin mișcări aleatorii ale moleculelor dipolului care alcătuiesc dielectricul. Mișcările aleatorii ale ionilor în soluțiile de electroliți măresc rezistența electrică a acestora.

Traiectorii particulelor browniene (schema experimentului lui Perrin); punctele marchează pozițiile particulelor la intervale regulate.

Prin urmare, DIFUZIA, SAU MIȘCARE BROWNIAN - Acest mișcarea aleatorie a celor mai mici particule suspendate într-un lichid sau gaz, care are loc sub influența impactului moleculelor de mediu; deschis

R. Brown în 1827

II. 2. Difuzia, tipurile ei.

Distinge între difuzie și autodifuziune.

prin difuzie numită pătrunderea spontană a moleculelor unei substanțe în golurile dintre moleculele altei substanțe. În acest caz, particulele sunt amestecate. Difuzia se observă pentru gaze, lichide și solide. De exemplu, o picătură de cerneală este amestecată într-un pahar cu apă. Sau mirosul de colonie se raspandeste in toata camera.

Difuzia, ca și autodifuzia, există atâta timp cât există un gradient de densitate a substanței. Dacă densitatea uneia și aceleiași substanțe nu este aceeași în diferite părți ale volumului, atunci se observă fenomenul de autodifuzie. Prin autodifuzare numit procesul de egalizare a densităţii(sau concentrație proporțională cu aceasta) aceeași substanță. Difuzia și autodifuzia apar datorită mișcării termice a moleculelor, care, în stări de neechilibru, creează fluxuri de materie.

Densitatea fluxului de masă este masa materiei ( dm) difuzand pe unitatea de timp printr-o unitate de suprafata ( dS pl) perpendicular pe ax X :

(1.1)

Fenomenul de difuzie se supune legii lui Fick

(1.2)

unde este modulul gradientului de densitate, care determină viteza de schimbare a densității în direcția axei X ;

D- coeficientul de difuzie, care se calculează din teoria cinetică moleculară prin formula

(1.3)

unde este viteza medie a mișcării termice a moleculelor;

Calea liberă medie a moleculelor.

Semnul minus indică faptul că transferul de masă are loc în direcția de scădere a densității.

Ecuația (1.2) se numește ecuație de difuzie sau legea lui Fick.

II. 3. Viteza de difuzie.

Când o particulă se mișcă într-o substanță, se ciocnește constant cu moleculele sale. Acesta este unul dintre motivele pentru care, în condiții normale, difuzia este mai lentă decât mișcarea normală. De ce depinde viteza de difuzie?

În primul rând, pe distanța medie dintre ciocnirile de particule, i.e. lungimea drumului liber. Cu cât această lungime este mai mare, cu atât particula pătrunde mai repede în substanță.

În al doilea rând, presiunea afectează viteza. Cu cât împachetarea particulelor într-o substanță este mai densă, cu atât este mai dificil pentru o particulă străină să pătrundă într-o astfel de împachetare.

În al treilea rând, greutatea moleculară a unei substanțe joacă un rol important în viteza de difuzie. Cu cât ținta este mai mare, cu atât este mai probabil să se lovească, iar după o coliziune, viteza întotdeauna încetinește.

Și în al patrulea rând, temperatura. Pe măsură ce temperatura crește, oscilațiile particulelor cresc, iar viteza moleculelor crește. Cu toate acestea, viteza de difuzie este de o mie de ori mai mică decât viteza de mișcare liberă.

Toate tipurile de difuzie se supun acelorași legi, sunt descrise de coeficientul de difuzie D, care este o valoare scalară și este determinată din prima lege a lui Fick.

Pentru difuzie unidimensională ,

unde J este densitatea de flux a atomilor sau a defectelor substanței,
D - coeficientul de difuzie,
N este concentrația de atomi sau defecte ale substanței.

Difuzia este un proces la nivel molecular și este determinat de natura aleatorie a mișcării moleculelor individuale. Viteza de difuzie este deci proporțională cu viteza medie a moleculelor. În cazul gazelor, viteza medie a moleculelor mici este mai mare și anume este invers proporțională cu rădăcina pătrată a masei moleculei și crește odată cu creșterea temperaturii. Procesele de difuzie în solide la temperaturi ridicate găsesc adesea aplicații practice. De exemplu, anumite tipuri de tuburi catodice (CRT) folosesc toriu metalic difuzat prin wolfram metalic la 2000 ºC.

Dacă într-un amestec de gaze o moleculă este de patru ori mai grea decât cealaltă, atunci o astfel de moleculă se mișcă de două ori mai încet în comparație cu mișcarea sa într-un gaz pur. În consecință, rata sa de difuzie este, de asemenea, mai mică. Această diferență în ratele de difuzie între moleculele ușoare și cele grele este utilizată pentru a separa substanțe cu greutăți moleculare diferite. Un exemplu este separarea izotopilor. Dacă un gaz care conține doi izotopi este trecut printr-o membrană poroasă, izotopii mai ușori pătrund în membrană mai repede decât cei mai grei. Pentru o mai bună separare, procesul se desfășoară în mai multe etape. Acest proces a fost utilizat pe scară largă pentru a separa izotopii de uraniu (separarea 235U fisil sub iradiere cu neutroni de cea mai mare parte a 238U). Deoarece această metodă de separare este consumatoare de energie, au fost dezvoltate alte metode de separare mai economice. De exemplu, utilizarea difuziei termice într-un mediu gazos este larg dezvoltată. Un gaz care conține un amestec de izotopi este plasat într-o cameră în care se menține o diferență de temperatură spațială (gradient). În acest caz, izotopii grei sunt concentrați în timp în regiunea rece.

Concluzie. Modificările difuze sunt afectate de:

· greutatea moleculară a substanței (cu cât greutatea moleculară este mai mare, cu atât viteza este mai mică);

· distanța medie dintre ciocnirile particulelor (cu cât lungimea traseului este mai mare, cu atât viteza este mai mare);

· presiune (cu cât împachetarea particulelor este mai mare, cu atât este mai dificil să se străpungă),

· temperatura (pe măsură ce temperatura crește, viteza crește).

II.4. Difuzia în natura neînsuflețită.

Știați că întreaga noastră viață este construită pe un paradox ciudat al naturii? Toată lumea știe că aerul pe care îl respirăm este format din gaze de diferite densități: azot N 2 , oxigen O 2 , dioxid de carbon CO 2 și o cantitate mică de alte impurități. Și aceste gaze ar trebui aranjate în straturi, în funcție de gravitație: cel mai greu, CO 2, se află chiar la suprafața pământului, deasupra lui - O 2, chiar mai sus - N 2. Dar asta nu se întâmplă. Suntem înconjurați de un amestec omogen de gaze. De ce nu se stinge flacăra? La urma urmei, oxigenul din jurul lui se arde rapid? Aici, ca și în primul caz, funcționează mecanismul de aliniere. Difuzia previne dezechilibrul în natură!

De ce este marea sărată? Știm că râurile își fac drum prin grosimea rocilor, a mineralelor și a sărurilor de spălat în mare. Cum se amestecă sarea cu apa? Acest lucru poate fi explicat printr-o experiență simplă:

DESCRIEREA EXPERIENȚEI: Se toarnă o soluție apoasă de sulfat de cupru într-un vas de sticlă. Turnați cu grijă apă curată peste soluție. Observăm granița dintre lichide.

Întrebare: Ce se va întâmpla cu aceste fluide în timp și ce vom observa?

În timp, granița dintre lichidele care vin în contact va începe să se estompeze. Un vas cu lichide poate fi așezat într-un dulap și în fiecare zi poți observa cum se produce amestecarea spontană a lichidelor. În final, în vas se formează un lichid omogen de culoare albastru pal, aproape incolor la lumină.

Particulele de sulfat de cupru sunt mai grele decât apa, dar datorită difuziei se ridică încet. Motivul este structura lichidului. Particulele lichide sunt împachetate în grupuri compacte - pseudonuclei. Sunt separate unul de celălalt prin goluri - găuri. Nucleele nu sunt stabile, particulele lor nu sunt în echilibru pentru mult timp. De îndată ce particula oferă energie, particula se desprinde de nucleu și cade în goluri. De acolo, sare cu ușurință la alt nucleu și așa mai departe.

Moleculele unei substanțe străine își încep călătoria prin lichidul din găuri. Pe drum, se ciocnesc de nuclee, scot particule din ele și le iau locul. Trecând dintr-un loc liber în altul, se amestecă încet cu particule lichide. Știm deja că rata de difuzie este scăzută. Prin urmare, în condiții normale, acest experiment a durat 18 zile, cu încălzire - 2-3 minute.

Concluzie: În flăcările Soarelui, viața și moartea stelelor luminoase îndepărtate, în aerul pe care îl respirăm, în schimbările de vreme, în aproape toate fenomenele fizice, vedem manifestarea difuziei atotputernice!

II.5. Difuzia în fauna sălbatică.

Procesele de difuzie au fost bine studiate în prezent, legile lor fizice și chimice au fost stabilite și sunt destul de aplicabile mișcării moleculelor într-un organism viu. Difuzia în organismele vii este indisolubil legată de membrana plasmatică a celulei. Prin urmare, este necesar să aflăm cum este aranjat și cum sunt legate caracteristicile structurii sale de transportul de substanțe în celulă.

Membrana plasmatică (plasmalema, membrană celulară), o suprafață, structură periferică care înconjoară protoplasma celulelor vegetale și animale, servește nu numai ca o barieră mecanică, dar, cel mai important, limitează fluxul liber în două sensuri în și în afara celulei. a substanţelor cu molecularitate scăzută şi înaltă. Mai mult, plasmalema acționează ca o structură care „recunoaște” diverse substanțe chimice și reglează transportul selectiv al acestor substanțe în celulă.

Suprafața exterioară a membranei plasmatice este acoperită cu un strat fibros liber de substanță de 3-4 nm grosime - glicocalix. Se compune din lanțuri ramificate de carbohidrați complecși ai proteinelor integrale membranare, între care se pot localiza compuși de proteine ​​cu zaharuri și proteine ​​cu grăsimi izolate de celulă. Unele enzime celulare implicate în descompunerea extracelulară a substanțelor (digestia extracelulară, de exemplu, în epiteliul intestinal) se găsesc imediat.

Deoarece interiorul stratului lipidic este hidrofob, acesta oferă o barieră practic impenetrabilă pentru majoritatea moleculelor polare. Datorită prezenței acestei bariere, scurgerea conținutului celulelor este împiedicată, totuși, din această cauză, celula a fost nevoită să creeze mecanisme speciale pentru transportul substanțelor solubile în apă prin membrană.

Membrana plasmatică, ca și alte membrane celulare lipoproteice, este semipermeabilă. Apa și gazele dizolvate în ea au puterea maximă de penetrare. Transportul ionilor poate avea loc de-a lungul unui gradient de concentrație, adică pasiv, fără consum de energie. În acest caz, unele proteine ​​de transport membranar formează complexe moleculare, canale prin care ionii trec prin membrană prin difuzie simplă. În alte cazuri, proteinele purtătoare membranare speciale se leagă selectiv de unul sau altul ion și îl transportă prin membrană. Acest tip de transfer se numește transport activ și se realizează folosind pompe de ioni proteici. De exemplu, cheltuind 1 moleculă de ATP, sistemul de pompă K-Na pompează 3 ioni Na din celulă într-un ciclu și pompează 2 ioni K împotriva gradientului de concentrație. În combinație cu transportul activ al ionilor, prin plasmalemă pătrund diferite zaharuri, nucleotide și aminoacizi. Macromoleculele, cum ar fi proteinele, nu trec prin membrană. Ele, precum și particulele mai mari ale substanței, sunt transportate în celulă prin endocitoză. În timpul endocitozei, o anumită secțiune a plasmalemei captează, învelește materialul extracelular și îl înglobează într-o vacuola membranară. Acest vacuol - endozomul - se contopește în citoplasmă cu lizozomul primar și are loc digestia materialului captat. Endocitoza este împărțită oficial în fagocitoză (absorbția particulelor mari de către celulă) și pinocitoză (absorbția soluțiilor). Membrana plasmatică participă, de asemenea, la îndepărtarea substanțelor din celulă prin exocitoză, un proces care este inversul endocitozei.

Difuzia ionilor în soluții apoase este deosebit de importantă pentru organismele vii. La fel de important este rolul difuziei în respirație, fotosinteză și transpirație a plantelor; în transferul oxigenului din aer prin pereții alveolelor plămânilor și intrarea acestuia în sângele oamenilor și animalelor. Difuzia ionilor moleculari prin membrane se realizează folosind un potențial electric în interiorul celulei. Dispunând de permeabilitate selectivă, membranele joacă rolul de vamă la deplasarea mărfurilor peste graniță: unele substanțe trec, altele întârzie, iar altele sunt în general „expulzate” din celulă. Rolul membranelor în viața celulelor este foarte mare. Celula muribundă pierde controlul asupra capacității de a regla concentrația de substanțe de-a lungul membranei. Primul semn al morții celulare este începutul schimbărilor în permeabilitatea și eșecul membranei sale exterioare.

Pe lângă transportul convențional - procesul cinetic de transfer al particulelor unei substanțe sub acțiunea gradienților de potențial electric sau chimic, temperatură sau presiune - transportul activ are loc și în procesele celulare - mișcarea moleculelor și ionilor împotriva concentrației gradient de substante. Acest mecanism de difuzie se numește osmoză. (Osmoza a fost observată pentru prima dată de A. Nolle în 1748, dar studiul acestui fenomen a început un secol mai târziu.) Acest proces se realizează datorită presiunii osmotice diferite într-o soluție apoasă pe diferite părți ale unei membrane biologice.Apa trece adesea. liber prin membrană prin osmoză, dar această membrană poate fi impermeabilă la substanțele dizolvate în apă. Este curios că apa curge împotriva difuziei acestei substanțe, dar respectând legea generală a gradientului de concentrație (în acest caz, apa).

Prin urmare, apa tinde să treacă de la o soluție mai diluată, unde concentrația sa este mai mare, la o soluție mai concentrată a unei substanțe, în care concentrația apei este mai mică. Nefiind capabilă să aspire și să pompa în mod direct apa, celula face acest lucru cu ajutorul osmozei, modificând concentrația de substanțe dizolvate din ea. Osmoza egalizează concentrația soluției pe ambele părți ale membranei. Presiunea osmotică a soluțiilor de substanțe de pe ambele părți ale membranei celulare și elasticitatea membranei celulare determină starea de stres a membranei celulare, care se numește presiune de turgescență (turgor - din latină turgere - a fi umflat, umplut). De regulă, elasticitatea membranelor celulare animale (excluzând unele intestinale) este scăzută, le lipsește presiunea mare de turgescență și rămân intacte doar în soluții izotonice sau cele care diferă puțin de cele izotonice (diferența dintre presiunea internă și presiunea externă este mai mică de 0,5). -1.0 am). În celulele vegetale vii, presiunea internă este întotdeauna mai mare decât presiunea externă, cu toate acestea, ruptura membranei celulare nu are loc din cauza prezenței unui perete celular de celuloză. Diferența dintre presiunile interne și externe la plante (de exemplu, la plantele halofite - iubitoare de sare, ciuperci) ajunge la 50-100 dimineața. Dar chiar și cu aceasta, marja de siguranță a celulei vegetale este de 60-70%. La majoritatea plantelor, alungirea relativă a membranei celulare datorită turgenței nu depășește 5-10%, iar presiunea turgenței se află în intervalul 5-10 dimineața. Datorită turgenței, țesuturile plantelor au elasticitate și rezistență structurală. (Experimentele nr. 3, nr. 4 confirmă acest lucru). Toate procesele de autoliză (autodistrugere), ofilire și îmbătrânire sunt însoțite de o scădere a presiunii turgenței.

Având în vedere difuzia în natura vie, nu se poate să nu menționăm absorbția. Absorbția este procesul de intrare a diferitelor substanțe din mediu prin membranele celulare în celule și prin acestea în mediul intern al organismului. La plante, acesta este procesul de absorbție a apei cu substanțe dizolvate în ea de rădăcini și frunze prin osmoză și difuzie; la nevertebrate - din mediu sau fluidul din cavitate. În organismele primitive, absorbția se realizează cu ajutorul pino- și fagocitozei. La vertebrate, absorbția poate avea loc atât din organele abdominale - plămâni, uter, vezică urinară, cât și de la suprafața pielii, de la suprafața plăgii etc. Gazele și vaporii volatili sunt absorbiți de piele.

Cea mai mare semnificație fiziologică este absorbția în tractul gastrointestinal, care are loc în principal în intestinul subțire. Pentru transportul eficient al substanțelor, de o importanță deosebită este o suprafață mare a intestinului și un flux sanguin constant ridicat în membrana mucoasă, datorită căruia se menține un gradient de concentrație ridicat al compușilor absorbiți. La om, fluxul de sânge mezenteric în timpul meselor este de aproximativ 400 ml/min, iar la înălțimea digestiei - până la 750 ml/min, ponderea principală (până la 80%) fiind fluxul de sânge în membrana mucoasă a organele digestive. Datorită prezenței structurilor care măresc suprafața membranei mucoase - pliuri circulare, vilozități, microvilozități, suprafața totală a suprafeței de aspirație a intestinului uman ajunge la 200 m 2.

Soluțiile de apă și sare pot difuza pe ambele părți ale peretelui intestinal, atât în ​​intestinul subțire, cât și în intestinul gros. Absorbția lor are loc în principal în secțiunile superioare ale intestinului subțire. De mare importanță în intestinul subțire este transportul ionilor de Na +, datorită căruia se creează în principal gradienți electrici și osmotici. Absorbția ionilor de Na + are loc atât datorită mecanismelor active cât și pasive.

Dacă celula nu ar avea sisteme de reglare a presiunii osmotice, atunci concentrația de substanțe dizolvate în interiorul ei ar fi mai mare decât concentrațiile lor externe. Atunci concentrația de apă în celulă ar fi mai mică decât concentrația sa în exterior. Ca urmare, ar exista un aflux constant de apă în celulă și ruperea acesteia. Din fericire, celulele animale și bacteriile controlează presiunea osmotică din celulele lor prin pomparea activă a ionilor anorganici, cum ar fi Na. Prin urmare, concentrația lor totală în interiorul celulei este mai mică decât în ​​exterior. De exemplu, amfibienii își petrec o parte semnificativă a timpului în apă, iar conținutul de sare din sângele și limfa lor este mai mare decât în ​​apa dulce. Amfibienii absorb continuu apa prin piele. Prin urmare, produc multă urină. O broască, de exemplu, dacă cloaca ei este bandajată, se umflă ca o minge. În schimb, dacă un amfibian intră în apă sărată de mare, acesta devine deshidratat și moare foarte repede. Prin urmare, mările și oceanele pentru amfibieni reprezintă o barieră de netrecut. Celulele vegetale au pereți rigidi care le împiedică să se umfle. Multe protozoare evită izbucnirea din apa care intră, folosind mecanisme speciale care ejectează în mod regulat apa care intră.

Astfel, celula este un sistem termodinamic deschis, care face schimb de materie și energie cu mediul, dar păstrând o anumită constanță a mediului intern. Aceste două proprietăți ale unui sistem de autoreglare - deschiderea și constanța - sunt efectuate simultan, iar metabolismul (metabolismul) este responsabil pentru constanța celulei. Metabolismul este regulatorul care contribuie la conservarea sistemului, oferă un răspuns adecvat la influențele mediului. Prin urmare, o condiție necesară pentru metabolism este iritabilitatea unui sistem viu la toate nivelurile, care acționează în același timp ca un factor de consistență și integritate a sistemului.

Membrana își poate modifica permeabilitatea sub influența factorilor chimici și fizici, inclusiv ca urmare a depolarizării membranei în timpul trecerii unui impuls electric prin sistemul de neuroni și impactul asupra acestuia.

Un neuron este un segment al unei fibre nervoase. Dacă un iritant acționează la un capăt al acestuia, atunci apare un impuls electric. Valoarea sa este de aproximativ 0,01 V pentru celulele musculare umane și se propagă cu o viteză de aproximativ 4 m/s. Când impulsul ajunge la sinapsă - o conexiune a neuronilor, care poate fi considerată ca un fel de releu care transmite un semnal de la un neuron la altul, atunci impulsul electric este transformat într-un impuls chimic prin eliberarea de neurotransmițători - substanțe intermediare specifice. . Când moleculele unui astfel de mediator intră în golul dintre neuroni, neurotransmițătorul ajunge la capătul decalajului prin difuzie și excită următorul neuron.

Cu toate acestea, un neuron reacționează numai dacă există molecule speciale pe suprafața lui - receptori care pot lega doar acest mediator și nu pot reacționa la altul. Acest lucru se întâmplă nu numai pe membrană, ci și în orice organ, cum ar fi un mușchi, provocând contracția acestuia. Semnalele de impuls prin sinapse pot inhiba sau spori transmiterea altora și, prin urmare, neuronii îndeplinesc funcții logice („și”, „sau”), care, într-o anumită măsură, l-au servit lui N. Wiener drept motiv pentru a crede că procesele computaționale din creierul unui organism viu și într-un computer urmează în esență același model. Apoi, abordarea informațională face posibilă descrierea naturii neînsuflețite și vie într-un mod unitar.

Însuși procesul efectului semnalului asupra membranei constă în modificarea rezistenței sale electrice ridicate, deoarece diferența de potențial peste aceasta este și de ordinul a 0,01 V. O scădere a rezistenței duce la o creștere a impulsului de curent electric și a excitația este transmisă în continuare sub forma unui impuls nervos, schimbând în același timp posibilitatea trecerii prin membrana anumitor ioni. Astfel, informațiile din organism pot fi transmise în combinație, prin mecanisme chimice și fizice, iar acest lucru asigură fiabilitatea și varietatea canalelor de transmitere și prelucrare a acesteia într-un sistem viu.

Procesele de respirație celulară, când în mitocondriile celulei se formează molecule de ATP, furnizându-i energia necesară, sunt strâns legate de procesele de respirație obișnuită a unui organism viu, care necesită oxigen O2 obținut ca urmare a fotosintezei. Mecanismele acestor procese se bazează și pe legile difuziei. În esență, acestea sunt componentele materiale și energetice care sunt necesare unui organism viu. Fotosinteza este procesul de stocare a energiei solare prin formarea de noi legături în moleculele substanțelor sintetizate. Materiile prime pentru fotosinteză sunt apa H 2 O și dioxidul de carbon CO 2 . Acești compuși anorganici simpli formează nutrienți mai complexi, bogati în energie. Ca produs secundar, dar foarte important pentru noi, se formează oxigenul molecular O 2. Un exemplu este o reacție care are loc datorită absorbției cuantelor de lumină și prezenței pigmentului de clorofilă conținut în cloroplaste.

Rezultatul este o moleculă de zahăr C 6 H 12 O 6 și șase molecule de oxigen O 2. Procesul se desfășoară în etape, mai întâi, în stadiul de fotoliză, hidrogenul și oxigenul se formează prin scindarea apei, iar apoi hidrogenul, combinat cu dioxidul de carbon, formează un carbohidrat - zahăr C 6 H 12 O 6. În esență, fotosinteza este conversia energiei radiante a Soarelui în energia legăturilor chimice ale substanțelor organice emergente. Astfel, fotosinteza, care produce oxigen O 2 în lumină, este procesul biologic care asigură organismelor vii energie liberă. Procesul de respirație normală ca proces metabolic în organism asociat cu consumul de oxigen este inversul procesului de fotosinteză. Ambele procese pot merge de-a lungul următorului lanț:

Energia solara (fotosinteza)

nutrienți + (respirație)

Energia legăturilor chimice.

Produșii finali ai respirației servesc ca materiale de plecare pentru fotosinteză. Astfel, procesele de fotosinteză și respirație sunt implicate în ciclul substanțelor de pe Pământ. O parte din radiația solară este absorbită de plante și de unele organisme, care, după cum știm deja, sunt autotrofe, adică. auto-hrănire (hrană pentru ei - lumina soarelui). Ca rezultat al procesului de fotosinteză, autotrofele leagă dioxidul de carbon atmosferic și apa, formând până la 150 de miliarde de tone de substanțe organice, absorbind până la 300 de miliarde de tone de CO 2 și emit aproximativ 200 de miliarde de tone de oxigen liber O 2 anual.

Materia organică rezultată este folosită ca hrană de oameni și ierbivore, care, la rândul lor, se hrănesc cu alți heterotrofe. Rămășițele vegetale și animale sunt apoi descompuse în substanțe anorganice simple, care pot participa din nou sub formă de CO 2 și H 2 O la fotosinteză. O parte din energia rezultată, inclusiv cea stocată sub formă de combustibili fosili, este folosită de organismele vii, iar o parte este disipată inutil în mediu. Prin urmare, procesul de fotosinteză, datorită posibilității de a le asigura energia și oxigenul necesar, este într-un anumit stadiu al dezvoltării biosferei Pământului un catalizator al evoluției viețuitoarelor.

Procesele de difuzie stau la baza metabolismului în celulă, ceea ce înseamnă că cu ajutorul lor aceste procese se desfășoară la nivelul organelor. Așa se desfășoară procesele de absorbție în firele de păr ale plantelor, intestinele animalelor și ale oamenilor; schimbul de gaze în stomatele plantelor, plămânii și țesuturile oamenilor și animalelor, procesele excretorii.

Biologii sunt implicați în structura și studiul celulelor de mai bine de 150 de ani, începând cu Schleiden, Schwann, Purime și Virchow, care în 1855 au stabilit mecanismul creșterii celulelor prin divizarea acestora. S-a constatat că fiecare organism se dezvoltă dintr-o singură celulă, care începe să se dividă și, ca urmare, se formează multe celule, semnificativ diferite unele de altele. Dar, din moment ce dezvoltarea organismului a început inițial de la diviziunea primei celule, într-una dintre etapele ciclului nostru de viață păstrăm o asemănare cu un strămoș unicelular foarte îndepărtat și se poate spune în glumă că suntem mai probabil descendenți dintr-un ameba decât de la o maimuță.

Organele sunt formate din celule, iar sistemul de celule capătă asemenea calități pe care elementele sale constitutive nu le au, adică. celule individuale. Aceste diferențe se datorează setului de proteine ​​sintetizate de această celulă. Există celule musculare, celule nervoase, celule sanguine (eritrocite), epiteliale și altele, în funcție de funcționalitatea acestora. Diferențierea celulară are loc treptat în timpul dezvoltării organismului. În procesul de diviziune celulară, viața și moartea lor, are loc o înlocuire continuă a celulelor pe tot parcursul vieții organismului.

Nicio moleculă din corpul nostru nu rămâne la fel mai mult de câteva săptămâni sau luni. În acest timp, moleculele sunt sintetizate, își îndeplinesc rolul în viața celulei, sunt distruse și înlocuite cu alte molecule, mai mult sau mai puțin identice. Cel mai uimitor lucru este că organismele vii în ansamblu sunt mult mai constante decât moleculele lor constitutive, iar structura celulelor și a întregului corp format din aceste celule rămâne neschimbată în acest ciclu neîncetat, în ciuda înlocuirii componentelor individuale.

Mai mult, aceasta nu este o înlocuire a unor părți individuale ale mașinii, ci, așa cum compară S. Rose la figurat, caroseria cu o clădire din cărămidă, „din care un zidar nebun scoate continuu o cărămidă după alta noapte și zi și introduce noi. cele în locul lor. În același timp, aspectul exterior al clădirii rămâne același, iar materialul este în mod constant înlocuit. Ne naștem cu unii neuroni și celule și murim cu alții. Un exemplu este conștiința, înțelegerea și percepția unui copil și a unei persoane în vârstă. Toate celulele au informații genetice complete pentru construirea tuturor proteinelor unui anumit organism. Stocarea și transmiterea informațiilor ereditare se realizează cu ajutorul nucleului celular.

Concluzie: Este imposibil de exagerat rolul permeabilității membranei plasmatice în activitatea vitală a celulei. Majoritatea proceselor asociate cu furnizarea energiei celulei, primirea de produse și eliminarea produselor de degradare se bazează pe legile difuziei prin această barieră vie semi-permeabilă.

Osmoză- de fapt, o simpla difuzie a apei din locuri cu o concentratie mai mare de apa catre locuri cu o concentratie mai mica de apa.

Transport pasiv- este transferul de substante din locuri cu o valoare mare a potentialului electrochimic in locuri cu valoarea sa mai mica. Transferul moleculelor mici solubile în apă se realizează folosind proteine ​​de transport speciale. Acestea sunt proteine ​​transmembranare speciale, fiecare dintre acestea fiind responsabilă de transportul anumitor molecule sau grupuri de molecule înrudite.

Este adesea necesar să se asigure că moleculele sunt transportate prin membrană împotriva gradientului lor electrochimic. Un astfel de proces se numește transport activși este realizat de proteine ​​purtătoare, a căror activitate necesită cheltuieli de energie. Dacă o proteină purtătoare este legată de o sursă de energie, se poate obține un mecanism care asigură transportul activ al substanțelor prin membrană.

II.6. Aplicarea difuziei.

Omul a folosit fenomenele de difuzie din cele mai vechi timpuri. Gătitul și încălzirea locuinței sunt asociate cu acest proces. Întâmpinăm difuzie în timpul tratamentului termic al metalelor (sudare, lipire, tăiere, acoperire etc.); aplicarea unui strat subțire de metale pe suprafața produselor metalice pentru a crește rezistența chimică, rezistența, duritatea pieselor și dispozitivelor, sau în scopuri de protecție și decorative (galvanizare, cromare, nichelare).

Gazul natural combustibil pe care îl folosim acasă pentru gătit este incolor și inodor. Prin urmare, ar fi dificil să observați imediat o scurgere de gaz. Iar în caz de scurgere din cauza difuziei, gazul se răspândește în toată încăperea. Între timp, la un anumit raport de gaz și aer într-o cameră închisă, se formează un amestec care poate exploda, de exemplu, dintr-un chibrit aprins. Gazul poate provoca, de asemenea, otrăvire.

Pentru a face vizibil fluxul de gaz în cameră, la stațiile de distribuție, gazul combustibil este preamestecat cu substanțe speciale care au un miros neplăcut ascuțit, care este ușor simțit de o persoană chiar și la o concentrație foarte scăzută. Această precauție vă permite să observați rapid acumularea de gaz în cameră dacă apare o scurgere.

În industria modernă, se folosește formarea în vid, o metodă de fabricare a produselor din foi termoplastice. Produsul configurației necesare se obține datorită diferenței de presiune care apare datorită rarefării în cavitatea matriței, peste care se fixează foaia. Este folosit, de exemplu, în producția de containere, piese de frigidere, carcase pentru instrumente. Datorită difuziei în acest fel, este posibil să sudați ceva care nu poate fi sudat de la sine (metal cu sticlă, sticlă și ceramică, metale și ceramică și multe altele).

Datorită difuziei diverșilor izotopi de uraniu prin membranele poroase, s-a obținut combustibil pentru reactoare nucleare. Uneori, combustibilul nuclear se numește combustibil nuclear.

Absorbția (resorbția) substanțelor atunci când sunt introduse în țesutul subcutanat, în mușchi sau când sunt aplicate pe mucoasele ochiului, nasului, pielii canalului urechii se produce în principal din cauza difuziei. Aceasta este baza pentru utilizarea multor substanțe medicinale, iar absorbția în mușchi are loc mai rapid decât în ​​piele.

Înțelepciunea populară spune: „coasă până la rouă”. Spune-mi, ce legătură are difuzia și cositul de dimineață cu asta? Explicația este foarte simplă. În timpul rouei dimineții, ierburile au presiune crescută de turgor, stomatele deschise, tulpini elastice, ceea ce facilitează cosirea lor (iarba cosită cu stomatele închise se usucă mai rău).

În horticultură, la înmugurirea și altoirea plantelor pe secțiuni, datorită difuziei, se formează calus (din latinescul Callus - porumb) - țesut ranit sub formă de aflux la locurile afectate și favorizează vindecarea acestora, asigură fuziunea descendent cu portaltoiul.

Calusul este folosit pentru a obține o cultură de țesuturi izolate (explantare). Aceasta este o metodă de conservare și cultivare pe termen lung în medii nutritive speciale a celulelor, țesuturilor, organelor mici sau părților acestora izolate din corpul oamenilor, animalelor și plantelor. Se bazează pe metodele de creștere a unei culturi de microorganisme care asigură asepsie, nutriție, schimb de gaze și îndepărtarea produselor metabolice ale obiectelor cultivate. Unul dintre avantajele metodei de cultură de țesuturi este capacitatea de a observa activitatea vitală a celulelor folosind un microscop. Pentru aceasta, țesutul vegetal este crescut pe medii nutritive care conțin auxine și citokinine. Calusul constă de obicei din celule omogene slab diferențiate ale țesutului educațional, dar cu o schimbare a condițiilor de creștere, în primul rând conținutul de fitohormoni din mediul nutritiv, formarea floemului, xilemului și a altor țesuturi este posibilă în acesta, precum și dezvoltarea. a diferitelor organe și a întregii plante.

II.7. Proiectarea experimentelor individuale.

Folosind literatura științifică, am încercat să repet experimentele care au fost cele mai interesante pentru mine. Am descris mecanismul de difuzie și rezultatele acestor experimente în prezentarea sub formă de modele de animație.

EXPERIENTA 1. Luați două eprubete: o jumătate umplută cu apă, cealaltă jumătate umplută cu nisip. Se toarnă apă într-o eprubetă cu nisip. Volumul amestecului de apă și nisip din eprubetă este mai mic decât suma volumelor de apă și nisip.

EXPERIENTA 2. Umpleți pe jumătate un tub lung de sticlă cu apă, apoi turnați alcool colorat deasupra. Marcați nivelul total de lichide din tub cu un inel de cauciuc. După amestecarea apei cu alcoolul, volumul amestecului scade.

(Experimentele 1 și 2. dovedesc că există goluri între particulele de materie; în timpul difuziei, acestea sunt umplute cu particule de materie - un extraterestru.)

EXPERIENTA 3. Vom aduce o vată umezită cu amoniac în contact cu o vată umezită cu un indicator de fenolftaleină. Observăm colorarea lânii în culoarea zmeură.

Acum un tampon de bumbac umezit cu amoniac este plasat pe fundul unui vas de sticlă și umezit cu fenolftaleină. Fixăm de capac și acoperim vasul de sticlă cu acest capac. După ceva timp, vata umezită cu fenolftaleină începe să se păteze.

Ca urmare a interacțiunii cu amoniacul, fenolftaleina devine purpurie, lucru pe care l-am observat când vata a intrat în contact. Dar de ce, atunci, în al doilea caz, o vată umezită cu fenolftaleină. Se pătează și, pentru că acum lâna nu a fost adusă în contact? Răspuns: mișcare haotică continuă a particulelor de materie.

EXPERIENTA 4. De-a lungul peretelui din interiorul unui vas cilindric înalt, coborâți o bandă îngustă de hârtie de filtru impregnată cu un amestec de pastă de amidon cu o soluție de indicator de fenolftaleină. Puneți cristale de iod pe fundul vasului. Închideți ermetic vasul cu un capac, de care se suspendă vată înmuiată în soluție de amoniac.

Datorită interacțiunii iodului cu amidonul, o culoare albastru-violet se ridică pe o fâșie de hârtie. În același timp, o culoare purpurie se răspândește în jos - dovadă a mișcării moleculelor de amoniac. După câteva minute, limitele zonelor colorate ale hârtiei se vor întâlni, iar apoi culorile albastru și purpuriu se vor amesteca, adică are loc difuzia.[ 10]

EXPERIENTA 5.(îl petrec împreună) Ia un ceas cu a doua mână, o bandă de măsurare, o sticlă de apă de toaletă și stai în diferite colțuri ale camerei. Se notează ora și se deschide flaconul. Altul notează momentul în care simte mirosul de apă de toaletă. Măsurând distanța dintre experimentatori, găsim viteza de difuzie. Pentru acuratețe, experimentul se repetă de 3-4 ori și se găsește valoarea medie a vitezei. Dacă distanța dintre experimentatori este de 5 metri, atunci mirosul se simte după 12 minute. Adică, viteza de difuzie în acest caz este de 2,4 m/min.

EXPERIENTA 6. DETERMINAREA VISCOZITĂȚII PLASMICE PRIN METODĂ PLASMOLISĂ (conform P.A. Genkel).

viteza de avans plasmoliza convexă în celulele vegetale, atunci când sunt tratate cu o soluție hipertanică, depinde de vâscozitatea citoplasmei; cu cât vâscozitatea citoplasmei este mai mică, cu atât plasmoliza concavă se transformă mai repede într-una convexă. Vâscozitatea citoplasmei depinde de gradul de dispersie a particulelor coloidale și de hidratarea acestora, de conținutul de apă din celulă, de vârsta celulelor și de alți factori.

Progres. Faceți o tăietură subțire a epidermei dintr-o frunză de aloe sau îndepărtați epiderma de pe solzi moi de ceapă. Secțiunile pregătite sunt colorate într-un pahar de ceas timp de 10 minute într-o soluție de roșu neutru la o concentrație de 1:5000. Apoi, secțiunile obiectului sunt așezate pe o lamă de sticlă într-o picătură de zaharoză la o concentrație scăzută și acoperite cu o lamă. La microscop, se notează starea de plasmoliză. În primul rând, plasmoliza concavă este observată în celule. În viitor, această formă fie se păstrează, fie, cu o viteză sau alta, trece într-o formă convexă. Este important de remarcat timpul de tranziție de la plasmoliza concavă la convexă. Intervalul de timp în care plasmoliza concavă se transformă în convexă este un indicator al gradului de vâscozitate al protoplasmei. Cu cât timpul de tranziție la plasmoliza convexă este mai lung, cu atât vascozitatea plasmei este mai mare. Plasmoliza în celulele de ceapă începe mai repede decât în ​​pielea de aloe. Aceasta înseamnă că citoplasma celulelor de aloe este mai vâscoasă.

EXPERIENTA 7. PLASMOLISĂ. DEPLASMOLISĂ. PENTRUREA SUBSTANȚELOR ÎN VACUOL [2]

Unele substanțe organice pătrund rapid în vacuolă. În celule, când sunt păstrate în soluții de astfel de substanțe, plasmoliza se pierde relativ rapid și are loc deplasmoliza.

Deplasmoliza este refacerea turgenței în celule(adică, inversul plasmolizei).

Progres. Secțiunile epidermei superioare ale solzilor de ceapă vopsite (partea concavă) sunt plasate într-o picătură de soluție 1 M de îngrășământ cu uree sau glicerină pentru plante direct pe o lamă de sticlă, acoperită cu o lamela. După 15-30 de minute, obiectele sunt examinate la microscop. Celulele plasmolizate sunt clar vizibile. Lăsați secțiunile într-o picătură de soluție pentru încă 30-40 de minute. Apoi, din nou, sunt examinate la microscop și se observă deplasmoliza - restabilirea turgenței.

Concluzie : Plantele nu pot controla cu precizie cantitatea de substanțe chimice care intră și ies din celule.

III. Concluzie.

Legile difuziei sunt supuse proceselor de mișcări fizice și chimice ale elementelor din interiorul pământului și din Univers, precum și proceselor de activitate vitală a celulelor și țesuturilor organismelor vii. Difuzia joacă un rol important în diverse domenii ale științei și tehnologiei, în procesele care au loc în natura animată și neînsuflețită. Difuzia afectează cursul multor reacții chimice, precum și multe procese și fenomene fizice și chimice: membrană, evaporare, condensare, cristalizare, dizolvare, umflare, ardere, catalitică, cromatografică, luminiscente, electrice și optice în semiconductori, moderarea neutronilor în nucleare. reactoare etc. Difuzia are o mare importanță în formarea unui dublu strat electric la limitele de fază, difuzioforeză și electroforeză, în procesele fotografice de achiziție rapidă a imaginilor etc. Difuzia servește ca bază pentru multe operații tehnice uzuale: sinterizarea pulberilor, tratament chimico-termic. a metalelor, metalizarea și sudarea materialelor, tăbăcirea pieilor și blănurilor, vopsirea fibrelor, mișcarea gazelor cu pompe de difuzie. Rolul difuziei a crescut semnificativ datorită necesității de a crea materiale cu proprietăți prestabilite pentru dezvoltarea domeniilor tehnologice (ingineria energiei nucleare, astronautică, procese de radiații și plasmă-chimice etc.). Cunoașterea legilor care guvernează difuzia face posibilă prevenirea modificărilor nedorite ale produselor care apar sub influența sarcinilor și temperaturilor ridicate, iradierii și multe altele...

Cum ar fi lumea fără difuzie? Opriți mișcarea termică a particulelor - și totul în jur va deveni mort!

În lucrarea mea, am rezumat materialul adunat pe tema rezumatului și am pregătit o prezentare realizată în editorul Power Point pentru apărarea acestuia. Această prezentare, după părerea mea, va putea diversifica materialul lecției pe această temă. Unele dintre experimentele descrise în literatură au fost repetate și ușor modificate de mine. Cele mai interesante exemple de difuzie sunt prezentate pe diapozitivele de prezentare în modele de animație.

IV. Cărți folosite:

1. V. F. Antonov, A. M. Chernysh, V. I. Pasechnik și colab., Biofizică.

M., Arktos-Vika-press, 1996

2. Afanasiev Yu.I., Yurina N.A., Kotovsky E.F. etc.Histologie.

M. Medicină, 1999.

3. Alberts B., Bray D., Lewis J. și colab., Molecular biology of the cell.

În 3 volume. Volumul 1. M., Mir, 1994.

4. Marea Enciclopedie a lui Chiril și Metodiu 2006

5. Varikash V.M. şi altele.Fizica în fauna sălbatică. Minsk, 1984.

6. Demyankov E.N. Sarcini în biologie. M. Vlados, 2004.

7. Nikolaev N.I. Difuzia în membrane. M. Chimie, 1980, p.76

8. Peryshkin A.V. Fizică. 7. M. Buttard, 2004.

9. Dicţionar enciclopedic fizic, M., 1983, p. 174-175, 652, 754

10. Shablovsky V. Fizica distractivă. Sankt Petersburg, „trigon” 1997, p.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” Categorii: Fenomene la nivel atomic | Fenomene termodinamice | Fenomene de transfer | Difuzie

Introducere
1. Conceptul și modelele de difuzie
1.1 Conceptul de procese de difuzie ……………………………………….. 5
1.2 Modele de difuzie ………………………………………6
2. Utilizarea proceselor de difuzie
2.1 Difuzia în prelucrarea metalelor ………………………………………………………8
2.2 Plasmoliza……………………………………………………………………………… 11
2.3 Osmoza……………………………………………………………………………………………11
3. Aplicarea difuziei în producție…………………………………... 13
4. Aplicarea difuziei în medicină. Aparatul „rinichi artificial”…..15
5. Aplicarea difuziei în inginerie………………………………………………………...16
Concluzie
Lista literaturii folosite

Introducere

Tema lucrării mele este: „Procesele de difuzie și utilizarea lor în tehnologie”.

Difuzia este un fenomen fundamental al naturii. Ea stă la baza transformărilor materiei și energiei. Manifestările sale au loc la toate nivelurile de organizare a sistemelor naturale de pe planeta noastră, începând de la nivelul particulelor elementare, atomilor și moleculelor, și terminând cu geosfera. Este utilizat pe scară largă în tehnologie, în viața de zi cu zi.
Esența difuziei este mișcarea particulelor din mediu, ducând la transferul de substanțe și la egalizarea concentrațiilor sau la stabilirea unei distribuții de echilibru a particulelor de un anumit tip în mediu. Difuzia moleculelor și atomilor datorită mișcării lor termice. .
Procesul de difuzie este unul dintre mecanismele de manifestare a celei de-a doua legi a termodinamicii, conform căruia orice sistem tinde să se deplaseze într-o stare mai de echilibru, adică o stare stabilă caracterizată printr-o creștere a entropiei și un minim de energie.
Difuzia este unul dintre cele mai importante procese tehnologice în fabricarea tuturor tipurilor de dispozitive electronice și microcircuite.

Difuzia este un proces fundamental care stă la baza funcționării sistemelor vii la orice nivel de organizare, de la nivelul particulelor elementare (difuzie electronică) până la nivelul biosferic (circulația substanțelor în biosferă).

Fenomenul difuziei este utilizat pe scară largă în practică. În viața de zi cu zi - prepararea ceaiului, conservarea legumelor, prepararea gemurilor. În producție - cementarea (... a pieselor din oțel, pentru creșterea durității și rezistenței la căldură a acestora), procese de aluminizare și oxidare.

Scopul acestei lucrări de curs este de a se familiariza cu conceptul de procese de difuzie și difuzie, de a analiza utilizarea acestuia în producție, tehnologie, medicină. Ținând cont de specificul acestui subiect și de gama de probleme ridicate, structura lucrării face posibilă răspunderea consecventă la întrebări teoretice în prima parte, iar în a doua deprinderea utilizării practice a proceselor de difuzie.

1. Conceptul și modelele de difuzie

1.1 Conceptul proceselor de difuzie

Procesul de penetrare a particulelor (molecule, atomi, ioni) unei substanțe între particulele unei alte substanțe datorită mișcării haotice se numește difuzie. Astfel, difuzia este rezultatul mișcării haotice a tuturor particulelor de materie, al oricărei acțiuni mecanice.

Deoarece particulele se mișcă în gaze, lichide și solide, difuzia este posibilă în aceste substanțe. Difuzia este transferul de materie datorat alinierii spontane a unei concentrații neomogene de atomi sau molecule de diferite tipuri. Dacă porțiuni din diferite gaze sunt lăsate în vas, atunci după un timp toate gazele sunt amestecate uniform: numărul de molecule de fiecare tip pe unitatea de volum a vasului va deveni constant, concentrația se va uniformiza (Fig. 1)

Difuzia este explicată după cum urmează. În primul rând, între cele două corpuri, interfața dintre cele două medii este clar vizibilă (Fig. 1a). Apoi, datorită mișcării lor, particulele individuale de substanțe situate în apropierea locurilor de schimb de frontieră. Granița dintre substanțe se estompează (Fig. 1b). După ce au pătruns între particulele unei alte substanțe, particulele primei încep să facă schimb de locuri cu particulele celei de-a doua, care se află în straturi din ce în ce mai adânci. Interfața dintre substanțe devine și mai vagă. Datorită mișcării continue și aleatorii a particulelor, acest proces duce în cele din urmă la faptul că soluția din vas devine omogenă (Fig. 1c).

Fig.1. Explicarea fenomenului de difuzie.

Difuzia particulelor mari suspendate într-un gaz sau lichid (de exemplu, particule de fum sau suspensie) se realizează datorită mișcării lor browniene. În cele ce urmează, dacă nu se specifică altfel, ne referim la difuzie moleculară.

Difuzia joacă un rol important în cinetica chimică și tehnologie. Când are loc o reacție chimică pe suprafața unui catalizator sau a unuia dintre reactanți (de exemplu, arderea cărbunelui), difuzia poate determina viteza de aprovizionare a altor reactanți și îndepărtarea produșilor de reacție, adică poate fi un factor determinant (limitator). ) proces. Pentru evaporare și condensare, dizolvarea cristalelor și cristalizare, difuzia se dovedește de obicei a fi decisivă. Procesul de difuzie a gazelor prin pereții poroase sau într-un jet de abur este utilizat pentru separarea izotopilor. Difuzia stă la baza numeroaselor procese tehnologice - adsorbție, cimentare etc. Sudarea prin difuzie, metalizarea prin difuzie sunt utilizate pe scară largă.

În soluțiile lichide, difuzia moleculelor de solvent prin pereții semipermeabile (membrane) duce la apariția presiunii osmotice, care este utilizată în metoda fizico-chimică de separare a substanțelor.

1.2 Modele de difuzie

Diferența de concentrație este forța motrice a difuziei. Dacă concentrația este aceeași peste tot, nu există un transfer difuz de materie. Egalizarea concentrației ca urmare a difuziei are loc numai în absența forțelor externe. Dacă există o diferență de concentrație împreună cu o diferență de temperatură, într-un câmp electric sau în condiții în care gravitația este semnificativă (cu o diferență mare de înălțime), egalizarea concentrației nu este necesară. Un exemplu este scăderea densității aerului cu înălțimea.

Să trecem la experiență. Două pahare sunt umplute cu apă, dar unul este rece și celălalt fierbinte. Înmuiați pliculețele de ceai în pahare în același timp. Este ușor de observat că în apa fierbinte, ceaiul colorează apa mai repede, difuzia are loc mai repede. Viteza de difuzie crește odată cu creșterea temperaturii, deoarece moleculele corpurilor care interacționează încep să se miște mai repede.

Difuzia are loc cel mai rapid în gaze, mai lentă în lichide și chiar mai lentă în solide, ceea ce se datorează naturii mișcării termice a particulelor din aceste medii. Traiectoria fiecărei particule de gaz este o linie întreruptă, deoarece Când particulele se ciocnesc, ele își schimbă direcția și viteza de mișcare. Dereglarea mișcării duce la faptul că fiecare particulă se îndepărtează treptat de locul unde a fost, iar deplasarea ei de-a lungul unei linii drepte este mult mai mică decât calea parcursă de-a lungul unei linii întrerupte. Prin urmare, penetrarea difuziei este mult mai lentă decât mișcarea liberă (rata de propagare a difuziei a mirosurilor, de exemplu, este mult mai mică decât viteza moleculelor). În lichide, în conformitate cu natura mișcării termice a moleculelor, difuzia se realizează prin salturi de molecule dintr-o poziție de echilibru temporară în alta. Fiecare salt are loc atunci când moleculei i se transmite energie suficientă pentru a-și rupe legăturile cu moleculele învecinate și a se muta în mediul altor molecule (într-o nouă poziție favorabilă energetic). În medie, saltul nu depășește distanța intermoleculară. Mișcarea de difuzie a particulelor într-un lichid poate fi considerată mișcare cu frecare. Coeficientul de difuzie într-un lichid crește odată cu temperatura, ceea ce se datorează „slăbirii” structurii lichidului în timpul încălzirii și creșterii corespunzătoare a numărului de salturi pe unitatea de timp.

Într-un corp solid pot funcționa mai multe mecanisme: schimbul de locuri de atomi cu locuri libere (nodurile neocupate ale rețelei cristaline), mișcarea atomilor de-a lungul interstițiilor, mișcarea ciclică simultană a mai multor atomi, schimbul direct de locuri a doi atomi învecinați etc. Primul mecanism predomină, de exemplu, în formarea de soluții solide substituționale, al doilea - soluții solide interstițiale. O creștere a numărului de defecte (în principal vacante) facilitează mișcarea atomilor într-un solid, difuzie, și duce la creșterea coeficientului de difuzie. Coeficientul de difuzie în solide se caracterizează printr-o dependență accentuată (exponențială) de temperatură. Astfel, coeficientul de difuzie a zincului în cupru crește cu un factor de 1014 pe măsură ce temperatura crește de la 20 la 300°C.

Toate metodele experimentale de determinare a coeficientului de difuzie conțin două puncte principale: punerea în contact a substanțelor care difuzează și analiza compoziției substanțelor modificate prin difuzie. Compoziția (concentrația substanței difuze) se determină chimic, optic (prin modificarea indicelui de refracție sau absorbția luminii), spectroscopic de masă, prin metoda atomilor marcați etc.

2. Utilizarea proceselor de difuzie

2.1 Difuzia în prelucrarea metalelor

Metalizarea prin difuzie este procesul de saturare prin difuzie a suprafeței produselor cu metale sau metaloizi. Saturația prin difuzie se realizează într-un amestec de pulbere, mediu gazos sau metal topit (dacă metalul are un punct de topire scăzut).

Borarea - saturarea prin difuzie a suprafeței metalelor și aliajelor cu bor pentru a crește duritatea, rezistența la coroziune, rezistența la uzură se realizează prin electroliză în sare de bor topită. Boriarea oferă o duritate deosebit de mare a suprafeței, rezistență la uzură, crește rezistența la coroziune și rezistența la căldură. Oțelurile cu bor au rezistență ridicată la coroziune în soluții apoase de acizi clorhidric, sulfuric și fosforic. Boriarea este utilizată pentru piesele din fontă și oțel care funcționează în condiții de frecare într-un mediu agresiv (în inginerie chimică).

Aluminizarea este un proces de saturare prin difuzie a stratului de suprafață cu aluminiu, realizat în amestecuri pulbere de aluminiu sau în aluminiu topit. Scopul este de a obține o rezistență ridicată la căldură a suprafeței pieselor din oțel. Aluminizarea se realizează în medii solide și lichide.

Siliconizare - saturarea prin difuzie cu siliciu se realizează în atmosferă gazoasă. Stratul saturat de siliciu al piesei de oțel nu are duritate foarte mare, dar rezistență ridicată la coroziune și rezistență crescută la uzură în apa de mare, acid azotic, acid clorhidric în acid sulfuric. Piesele siliconate sunt folosite în industria chimică, a celulozei și hârtiei și a petrolului. Pentru a crește rezistența la căldură, siliconizarea este utilizată pentru produsele din aliaje pe bază de molibden și wolfram, care au rezistență ridicată la căldură.

Procesele de difuzie în metale joacă un rol semnificativ. Dacă două metale sunt aduse în contact strâns printr-un fascicul de depunere sau presare a pulberii unui metal cu altul și sunt supuse la temperaturi suficient de ridicate, atunci fiecare dintre aceste două metale va difuza în celălalt. Dacă unul dintre metale este lichid, atunci difuzează simultan în solid și îl dizolvă.

Dacă pornim de la metale pure, atunci în stratul intermediar se formează o întreagă gamă de faze ale ambelor metale, de obicei separat de amestecul de faze limită. Diferența de concentrații în straturile individuale este foarte diferită; viteza de difuzie este deci foarte dependentă de structura rețelei. În cazul unei serii continue de soluții solide, viteza de difuzie depinde și de compoziția vracului; astfel, difuzia cuprului în nichel cu un punct de topire ridicat este mult mai lentă decât difuzia nichelului în cupru. În același metal, alte metale difuzează, așa cum au arătat experimentele lui Gevez și Septs cu plumb, cu o viteză mai mare, cu atât sunt mai departe în grupele lor în sistemul periodic unul de celălalt (cu atât sunt mai departe în valența lor). Folosind un izotop radioactiv de plumb, se poate stabili, de asemenea, că atomii omogene fac schimb de locuri în mod deosebit lent. Faptul acestei autodifuzii indică clar mișcarea atomilor de metal la temperaturi ridicate, pe care se bazează și cristalizarea și creșterea cristalelor.