Medzi početnými javmi vo fyzike je proces difúzie jedným z najjednoduchších a najzrozumiteľnejších. Veď každé ráno pri príprave aromatického čaju či kávy má človek možnosť túto reakciu v praxi odpozorovať. Poďme sa dozvedieť viac o tomto procese a podmienkach jeho výskytu v rôznych stavoch agregácie.

Čo je difúzia

Toto slovo sa vzťahuje na prienik molekúl alebo atómov jednej látky medzi podobné štruktúrne jednotky inej látky. V tomto prípade sa koncentrácia penetračných zlúčenín vyrovná.

Tento proces prvýkrát podrobne opísal nemecký vedec Adolf Fick v roku 1855.

Názov tohto termínu bol odvodený z latinského diffusio (interakcia, rozptyl, distribúcia).

Difúzia v kvapaline

Uvažovaný proces môže prebiehať s látkami vo všetkých troch stavoch agregácie: plynnom, kvapalnom a tuhom. Ak chcete nájsť praktické príklady, stačí sa pozrieť do kuchyne.

Boršč dusený na sporáku je jedným z nich. Vplyvom teploty molekuly glukozínbetanínu (látka, ktorá dáva repe takú bohatú šarlátovú farbu) rovnomerne reagujú s molekulami vody, čím získava jedinečný bordový odtieň. Tento prípad je v kvapalinách.

Okrem boršču je tento proces vidieť aj v pohári čaju alebo kávy. Oba tieto nápoje majú taký jednotný, bohatý odtieň vďaka tomu, že zápar alebo čiastočky kávy, ktoré sa rozpúšťajú vo vode, sa rovnomerne rozprestierajú medzi jej molekulami a farbia ju. Pôsobenie všetkých populárnych instantných nápojov deväťdesiatych rokov je založené na rovnakom princípe: Yupi, Invite, Zuko.

Vzájomné prenikanie plynov

Atómy a molekuly, ktoré prenášajú zápach, sú v aktívnom pohybe a v dôsledku toho sa miešajú s časticami, ktoré sú už obsiahnuté vo vzduchu a sú pomerne rovnomerne rozptýlené po celej miestnosti.

Ide o prejav difúzie v plynoch. Stojí za zmienku, že s posudzovaným procesom súvisí aj samotné vdychovanie vzduchu, ako aj chutná vôňa čerstvo pripraveného boršču v kuchyni.

Difúzia v pevných látkach

Kuchynský stôl, na ktorom sú kvety, je pokrytý žiarivo žltým obrusom. Dostal podobný odtieň vďaka schopnosti difúzie vyskytovať sa v pevných látkach.

Proces dodávania plátna nejakého jednotného odtieňa prebieha v niekoľkých fázach nasledovne.

1. Častice žltého pigmentu difundovali v nádrži s farbivom smerom k vláknitému materiálu.
2. Potom boli absorbované vonkajším povrchom farbenej látky.
3. Ďalším krokom bolo opätovné rozptýlenie farbiva, ale tentoraz do vlákien látky.
4. Nakoniec tkanina fixovala častice pigmentu, čím sa zafarbila.

Difúzia plynov v kovoch

Zvyčajne, keď hovoríme o tomto procese, uvažujeme o interakciách látok v rovnakých stavoch agregácie. Napríklad difúzia v pevných látkach, pevných látkach. Na preukázanie tohto javu sa uskutočňuje experiment s dvoma kovovými platňami (zlatá a olovená), ktoré sú pritlačené k sebe. K vzájomnému prieniku ich molekúl dochádza pomerne dlho (jeden milimeter za päť rokov). Tento proces sa používa na výrobu nezvyčajných šperkov.

Avšak zlúčeniny v rôznych stavoch agregácie sú tiež schopné difúzie. Napríklad dochádza k difúzii plynov v pevných látkach.

Počas experimentov bolo dokázané, že podobný proces prebieha aj v atómovom stave. Na jeho aktiváciu je spravidla potrebné výrazné zvýšenie teploty a tlaku.

Príkladom takejto difúzie plynov v pevných látkach je vodíková korózia. Prejavuje sa v situáciách, keď atómy vodíka (H2) vznikajúce pri nejakej chemickej reakcii pod vplyvom vysokých teplôt (od 200 do 650 stupňov Celzia) prenikajú medzi štruktúrne častice kovu.

Okrem vodíka sa v pevných látkach môže vyskytnúť aj difúzia kyslíka a iných plynov. Tento proces, neviditeľný pre oči, prináša veľa škody, pretože kovové konštrukcie sa môžu kvôli nemu zrútiť.

Difúzia kvapalín v kovoch

Avšak nielen molekuly plynu môžu prenikať do pevných látok, ale aj do kvapalín. Rovnako ako v prípade vodíka, najčastejšie tento proces vedie ku korózii (ak hovoríme o kovoch).

Klasickým príkladom difúzie kvapaliny v pevných látkach je korózia kovov vplyvom vody (H 2 O) alebo roztokov elektrolytov. Pre väčšinu je tento proces viac známy pod názvom hrdzavenie. Na rozdiel od vodíkovej korózie sa s ňou v praxi stretávame oveľa častejšie.

Podmienky pre zrýchlenie difúzie. Difúzny koeficient

Po zistení, v akých látkach sa môže daný proces vyskytnúť, stojí za to zistiť podmienky jeho výskytu.

Po prvé, rýchlosť difúzie závisí od stavu agregácie, v ktorom sa interagujúce látky nachádzajú. Čím väčšia je reakcia, tým pomalšia je jej rýchlosť.

V tomto ohľade bude difúzia v kvapalinách a plynoch vždy aktívnejšia ako v pevných látkach.

Ak sa napríklad kryštáliky manganistanu draselného KMnO 4 (manganistanu draselného) hodia do vody, dodajú jej v priebehu niekoľkých minút krásnu karmínovú farbu. Ak však kryštáliky KMnO 4 posypete na kúsok ľadu a všetko vložíte do mrazničky, po niekoľkých hodinách nebude manganistan draselný schopný úplne zafarbiť zmrazenú H 2 O.

Z predchádzajúceho príkladu môžeme vyvodiť ďalší záver o podmienkach difúzie. Okrem stavu agregácie ovplyvňuje rýchlosť vzájomného prenikania častíc aj teplota.

Aby sme zvážili závislosť posudzovaného procesu od toho, stojí za to dozvedieť sa o takom koncepte, ako je koeficient difúzie. Toto je názov kvantitatívnej charakteristiky jeho rýchlosti.

Vo väčšine vzorcov sa označuje pomocou veľkého latinského písmena D a v systéme SI sa meria v metroch štvorcových za sekundu (m²/s), niekedy v centimetroch za sekundu (cm 2 /m).

Difúzny koeficient sa rovná množstvu látky rozptýlenej cez jednotkový povrch za jednotku času za predpokladu, že rozdiel hustôt na oboch povrchoch (umiestnených vo vzdialenosti rovnajúcej sa jednotkovej dĺžke) je rovný jednotke. Kritériá, ktoré určujú D, sú vlastnosti látky, v ktorej prebieha samotný proces disperzie častíc, a ich typ.

Závislosť koeficientu od teploty možno opísať pomocou Arrheniovej rovnice: D = D 0exp (-E/TR).

V uvažovanom vzorci je E minimálna energia potrebná na aktiváciu procesu; T - teplota (meraná v Kelvinoch, nie v stupňoch Celzia); R je plynová konštanta, charakteristická pre ideálny plyn.

Okrem všetkého vyššie uvedeného ovplyvňuje rýchlosť difúzie v pevných látkach a kvapalinách v plynoch tlak a žiarenie (indukčné alebo vysokofrekvenčné). Okrem toho veľa závisí od prítomnosti katalytickej látky, ktorá často pôsobí ako spúšťač aktívnej disperzie častíc.

Difúzna rovnica

Tento jav je špeciálnym typom parciálnej diferenciálnej rovnice.

Jeho cieľom je nájsť závislosť koncentrácie látky od veľkosti a súradníc priestoru (v ktorom difunduje), ako aj od času. V tomto prípade daný koeficient charakterizuje priepustnosť média pre reakciu.

Najčastejšie sa difúzna rovnica zapisuje takto: ∂φ (r,t)/∂t = ∇ x.

V ňom je φ (t a r) hustota rozptylovej hmoty v bode r v čase t. D (φ, r) je zovšeobecnený difúzny koeficient pri hustote φ v bode r.

∇ je vektorový diferenciálny operátor, ktorého súradnicové zložky sú parciálne derivácie.

Keď je koeficient difúzie závislý od hustoty, rovnica je nelineárna. Keď nie - lineárne.

Po zvážení definície difúzie a vlastností tohto procesu v rôznych prostrediach je možné poznamenať, že má pozitívne aj negatívne stránky.

Všetko, čo sa nám a okolo nás deje, vždy vzbudzuje záujem. Jeden zaujímavý proces, ktorý mnohých ľudí zaujíma, je difúzia. Ak vás zaujíma, čo je difúzia, potom bude náš článok užitočný.

Čo je difúzia?

Difúzia je proces, pri ktorom sa zmes pohybuje z oblasti s vysokou koncentráciou do oblasti s nízkou koncentráciou. Dôvodom je pohyb atómov a molekúl. Zvyčajne je príčinou teplo, pod vplyvom ktorého celý proces prebieha. Končí, keď sa koncentračný gradient skončí.

K difúzii plynov a kvapalín dochádza rýchlo, čo nie je prípad pevných látok. To je ľahko viditeľné v každodennom živote, pretože ohrev vody je oveľa rýchlejší ako tavenie plastu. Pre porovnanie, veľa ľudí ho mieša s manganistanom draselným, ktorý tekutinu zafarbí za pár sekúnd. Ale s plastelínou sa to už robiť nedá. Ak sa zmiešajú dva kusy plastelíny, je potrebné vynaložiť veľké úsilie, aby mohli vzájomne pôsobiť. To opäť potvrdzuje, že rýchlosť difúzie môže byť rôzna. Syntetické materiály podliehajú slabej difúzii a kovové materiály sú opakom.

Častice, ktoré sú vždy prítomné v látke, môžu difundovať. Cudzie látky sú tiež náchylné na tento proces.

Ako spôsobiť difúziu?

Aby došlo k difúzii v plynoch a kvapalinách, musí sa použiť Brownov pohyb. Predstavuje pohyb molekúl pod vplyvom vysokých teplôt.

Difúzne čerpadlo sa môže použiť na vyvolanie difúzie pevných látok. Obsahuje olej, ktorý sa zahrieva a stúpa a potom dochádza k čerpaniu. V tomto čase výpary prechádzajú nahor a klesajú nadol cez špeciálne čerpacie kanály na chladenie. Cestou zachytávajú plyny a berú ich so sebou. Para kondenzuje a prúdi do špeciálnej nádoby. To všetko vám umožňuje dosiahnuť minimálny tlak.

Typy difúzie

Difúzia môže byť:

• koloidné;
• konvekčné;
• kvantový;
• turbulentný.

Prvý typ difúzie je proces, ktorý sa vyskytuje v pevných látkach. Turbulentný je prenos drobných častíc v turbulentnom prúdení. Kvantová difúzia nastáva tam, kde sú teploty veľmi nízke a je prítomná kondenzácia. Konvekčná difúzia nastáva, keď sa častice pohybujú v médiu, ktoré sa tiež pohybuje určitou rýchlosťou.

Často je možné pozorovať, ako sa difúzia týka javov, počas ktorých sa častice neprenášajú. Napríklad v optike sa môžeme stretnúť s procesom prenosu žiarenia v prostredí, ktoré je heterogénne. Tento proces musí byť sprevádzaný absorpciou fotónov, ktorá sa nazýva difúzia.

Kde môžete vidieť difúziu v živote?

Najjednoduchším príkladom toho, ako funguje difúzia, je naše dýchanie. Kyslík vstupuje do našich pľúc, keď sa otvoria, a potom sa presúva do krvi. Pomocou difúzie sa oxid uhličitý nehromadí okolo človeka, ale zmiešava sa s kyslíkom a rovnomerne sa rozptýli vo vzduchu. Tento proces možno pozorovať aj v iných oblastiach života.

Difúzia

Príkladom difúzie je miešanie plynov (napríklad šírenie pachov) alebo kvapalín (ak sa atrament kvapne do vody, kvapalina sa po určitom čase rovnomerne zafarbí). Ďalší príklad je spojený s pevnou látkou: atómy kontaktujúcich kovov sa miešajú na hranici kontaktu. Difúzia častíc hrá dôležitú úlohu vo fyzike plazmy.

Zvyčajne sa difúziou rozumejú procesy sprevádzané prenosom hmoty, ale niekedy sa difúziou nazývajú aj iné prenosové procesy: tepelná vodivosť, viskózne trenie atď.

Rýchlosť difúzie závisí od mnohých faktorov. V prípade kovovej tyče teda dochádza k tepelnej difúzii veľmi rýchlo. Ak je tyč vyrobená zo syntetického materiálu, tepelná difúzia prebieha pomaly. Difúzia molekúl vo všeobecnosti prebieha ešte pomalšie. Napríklad, ak sa kúsok cukru umiestni na dno pohára s vodou a voda sa nemieša, bude trvať niekoľko týždňov, kým sa roztok stane homogénnym. Difúzia jednej pevnej látky do druhej prebieha ešte pomalšie. Napríklad, ak je meď pokrytá zlatom, potom dôjde k difúzii zlata do medi, ale za normálnych podmienok (izbová teplota a atmosférický tlak) dosiahne zlatonosná vrstva hrúbku niekoľkých mikrónov až po niekoľkých tisíckach rokov.

Kvantitatívny popis difúznych procesov podal nemecký fyziológ A. Fick ( Angličtina) v roku 1855

všeobecný popis

Všetky typy difúzie sa riadia rovnakými zákonmi. Rýchlosť difúzie je úmerná ploche prierezu vzorky, ako aj rozdielu koncentrácií, teplôt alebo nábojov (v prípade relatívne malých hodnôt týchto parametrov). Teplo sa teda bude šíriť štyrikrát rýchlejšie cez tyč s priemerom dva centimetre ako cez tyč s priemerom jedného centimetra. Toto teplo sa bude šíriť rýchlejšie, ak rozdiel teplôt na jednom centimetri je 10 °C namiesto 5 °C. Rýchlosť difúzie je tiež úmerná parametru charakterizujúcemu konkrétny materiál. V prípade tepelnej difúzie sa tento parameter nazýva tepelná vodivosť, v prípade toku elektrických nábojov - elektrická vodivosť. Množstvo látky, ktoré difunduje za daný čas, a vzdialenosť, ktorú difundujúca látka prejde, sú úmerné druhej odmocnine času difúzie.

Difúzia je proces na molekulárnej úrovni a je určený náhodným charakterom pohybu jednotlivých molekúl. Rýchlosť difúzie je teda úmerná priemernej rýchlosti molekúl. V prípade plynov je priemerná rýchlosť malých molekúl väčšia, konkrétne je nepriamo úmerná druhej odmocnine hmotnosti molekuly a zvyšuje sa so zvyšujúcou sa teplotou. Difúzne procesy v pevných látkach pri vysokých teplotách často nachádzajú praktické uplatnenie. Napríklad niektoré typy katódových trubíc (CRT) používajú kovové tórium difundované cez kovový volfrám pri 2000 °C.

Ak je v zmesi plynov hmotnosť jednej molekuly štyrikrát väčšia ako druhej, potom sa takáto molekula pohybuje dvakrát pomalšie ako jej pohyb v čistom plyne. V súlade s tým je rýchlosť jeho difúzie tiež nižšia. Tento rozdiel v rýchlosti difúzie ľahkých a ťažkých molekúl sa využíva na separáciu látok s rôznymi molekulovými hmotnosťami. Príkladom je separácia izotopov. Ak plyn obsahujúci dva izotopy prechádza cez poréznu membránu, ľahšie izotopy prechádzajú cez membránu rýchlejšie ako ťažšie. Pre lepšie oddelenie sa proces uskutočňuje v niekoľkých fázach. Tento proces bol široko používaný na separáciu izotopov uránu (oddelenie 235 U od veľkého množstva 238 U). Pretože táto separačná metóda vyžaduje veľa energie, boli vyvinuté iné, ekonomickejšie separačné metódy. Napríklad použitie tepelnej difúzie v prostredí plynov je široko rozvinuté. Plyn obsahujúci zmes izotopov sa umiestni do komory, v ktorej sa udržiava priestorový teplotný rozdiel (gradient). V tomto prípade sa ťažké izotopy časom koncentrujú v chladnej oblasti.

Fickove rovnice

Z hľadiska termodynamiky je hnacím potenciálom každého vyrovnávacieho procesu zvýšenie entropie. Pri konštantnom tlaku a teplote je úlohou takéhoto potenciálu chemický potenciál µ , ktorý určuje udržiavanie tokov hmoty. Tok častíc hmoty je úmerný gradientu potenciálu

~

Vo väčšine praktických prípadov sa namiesto chemického potenciálu používa koncentrácia C. Priama výmena µ na C sa stáva nesprávnym v prípade vysokých koncentrácií, pretože chemický potenciál už nesúvisí s koncentráciou podľa logaritmického zákona. Ak takéto prípady neberieme do úvahy, vyššie uvedený vzorec možno nahradiť nasledujúcim:

čo ukazuje, že hustota toku látky Júmerné difúznemu koeficientu D[()] a koncentračný gradient. Táto rovnica vyjadruje prvý Fickov zákon. Druhý Fickov zákon sa týka priestorových a časových zmien koncentrácie (difúzna rovnica):

Difúzny koeficient D závisí od teploty. V mnohých prípadoch v širokom rozsahu teplôt je táto závislosť Arrheniovou rovnicou.

Ďalšie pole aplikované paralelne s gradientom chemického potenciálu narúša ustálený stav. V tomto prípade sú difúzne procesy opísané nelineárnou Fokker-Planckovou rovnicou. Difúzne procesy majú v prírode veľký význam:

• Výživa, dýchanie zvierat a rastlín;
• Prenikanie kyslíka z krvi do ľudských tkanív.

Geometrický popis Fickovej rovnice

V druhej Fickovej rovnici je na ľavej strane miera zmeny koncentrácie v čase a na pravej strane rovnice je druhá parciálna derivácia, ktorá vyjadruje priestorové rozloženie koncentrácie, najmä konvexnosť teploty. distribučná funkcia premietnutá na os x.

pozri tiež

• Povrchová difúzia je proces spojený s pohybom častíc vyskytujúcich sa na povrchu kondenzovaného telesa v rámci prvej povrchovej vrstvy atómov (molekúl) alebo na vrchu tejto vrstvy.

Poznámky

Literatúra

• Bokshtein B.S. Atómy putujú okolo kryštálu. - M.: Nauka, 1984. - 208 s. - (Knižnica "Quantum". Vydanie 28). - 150 000 kópií.

Odkazy

• Difúzia (video lekcia, program pre 7. ročník)
• Difúzia atómov nečistôt na povrchu monokryštálu

Nadácia Wikimedia. 2010.

Synonymá:

Pozrite sa, čo je „Diffusion“ v iných slovníkoch:

- [lat. diffusio šírenie, šírenie] fyzikálny, chemický. prenikanie molekúl jednej látky (plynu, kvapaliny, pevnej látky) do druhej priamym kontaktom alebo cez poréznu prepážku. Slovník cudzích slov. Komlev N.G.,...... Slovník cudzích slov ruského jazyka

Difúzia- – prenikanie častíc jednej látky do prostredia časticami inej látky, ku ktorému dochádza v dôsledku tepelného pohybu v smere znižovania koncentrácie inej látky. [Blum E.E. Slovník základných hutníckych pojmov. Jekaterinburg… Encyklopédia pojmov, definícií a vysvetlení stavebných materiálov

Moderná encyklopédia

- (z lat. diffusio, šírenie, rozptyl), pohyb častíc média, vedúci k prenosu látky a vyrovnaniu koncentrácií alebo k nastoleniu rovnovážneho rozloženia koncentrácií častíc daného typu v médiu. V neprítomnosti… … Veľký encyklopedický slovník

DIFÚZIA, pohyb látky v zmesi z oblasti s vysokou koncentráciou do oblasti s nízkou koncentráciou, spôsobený náhodným pohybom jednotlivých atómov alebo molekúl. Difúzia sa zastaví, keď koncentračný gradient zmizne. Rýchlosť…… Vedecko-technický encyklopedický slovník

difúzia- a f. difúzna f., nem Difúzna lat. diffusio šírenie, šírenie. Vzájomné prenikanie kontaktujúcich látok do seba v dôsledku tepelného pohybu molekúl a atómov. Difúzia plynov a kvapalín. BAS 2. || trans. Oni…… Historický slovník galicizmov ruského jazyka

Difúzia- (z lat. diffusio rozloženie, šírenie, disperzia), pohyb častíc prostredia, vedúci k prenosu hmoty a vyrovnávaniu koncentrácií alebo nastoleniu ich rovnovážneho rozloženia. Typicky je difúzia určená tepelným pohybom... ... Ilustrovaný encyklopedický slovník

Pohyb častíc v smere znižovania ich koncentrácie, spôsobený tepelným pohybom. D. vedie k vyrovnaniu koncentrácií difundujúcej látky a rovnomernému vyplneniu objemu časticami.... ... Geologická encyklopédia

Mestská vzdelávacia inštitúcia Zaozernaja stredná škola s hĺbkovým štúdiom jednotlivých predmetov č.16

Téma: "Difúzia v živej a neživej prírode."

Dokončené:

študent triedy 8A Zyabrev Kirill.

Učiteľ fyziky: Zavyalova G.M.

Učiteľ biológie: Zyabreva V.F.

Tomsk – 2008

I. úvod. ………………………………………………………… 3

II. Difúzia v živej a neživej prírode.

1. História objavenia javu. …………………………………………. 4

2. Difúzia, jej typy. ………………………………………….. 6

3. Od čoho závisí rýchlosť difúzie? ………………………….. 7

4. Difúzia v neživej prírode. ………………………………… 8

5. Difúzia v živej prírode. ………………………………… 9

6. Využitie difúznych javov. …………………………. 16

7. Návrh jednotlivých difúznych javov. ………………… 17

III. Záver. ………………………………………………… 20

IV. Použité knihy. …………………………………………. . 21

I. úvod.

Okolo nás sa deje toľko úžasných a zaujímavých vecí. Na nočnej oblohe žiaria ďaleké hviezdy, v okne horí sviečka, vietor nesie vôňu rozkvitnutých čerešní, starnúca babička ťa sleduje pohľadom... Chcem veľa vedieť, skús to vysvetliť sám. Veď mnohé prírodné javy sú spojené s difúznymi procesmi, o ktorých sme hovorili nedávno v škole. Ale povedali tak málo!

Ciele práce :

1. Rozšíriť a prehĺbiť poznatky o difúzii.

2. Modelujte jednotlivé difúzne procesy.

3. Vytvorte ďalší počítačový materiál na použitie na hodinách fyziky a biológie.

Úlohy:

1. Nájdite si potrebný materiál v literatúre, na internete, preštudujte si ho a rozoberte.

2. Zistite, kde sa vyskytujú difúzne javy v živej a neživej prírode (fyzika a biológia), aký majú význam a kde ich človek využíva.

3. Opíšte a navrhnite najzaujímavejšie experimenty na tomto jave.

4. Vytvorte animované modely niektorých difúznych procesov.

Metódy: analýza a syntéza literatúry, dizajn, modelovanie.

Moja práca pozostáva z troch častí; hlavná časť pozostáva zo 7 kapitol. Preštudoval som a spracoval materiály z 13 literárnych zdrojov vrátane náučnej, referenčnej, vedeckej literatúry a internetových stránok a pripravil som aj prezentáciu v editore Power Point.

II. Difúzia v živej a neživej prírode.

II .1. História objavu fenoménu difúzie.

Pri pozorovaní suspenzie peľu kvetov vo vode pod mikroskopom Robert Brown pozoroval chaotický pohyb častíc, ktorý nevznikol „ani z pohybu kvapaliny, ani z jej vyparovania“. Suspendované častice s veľkosťou 1 µm alebo menšou, viditeľné iba pod mikroskopom, vykonávali neusporiadané nezávislé pohyby opisujúce zložité cik-cak trajektórie. Brownov pohyb časom nezoslabne a nezávisí od chemických vlastností média; jeho intenzita sa zvyšuje so zvyšujúcou sa teplotou média a so znižovaním jeho viskozity a veľkosti častíc. Dokonca aj kvalitatívne vysvetlenie príčin Brownovho pohybu bolo možné až o 50 rokov neskôr, keď sa príčina Brownovho pohybu začala spájať s dopadmi molekúl kvapaliny na povrch častice v nej suspendovanej.

Prvú kvantitatívnu teóriu Brownovho pohybu predložili A. Einstein a M. Smoluchowski v rokoch 1905-06. založené na molekulárnej kinetickej teórii. Ukázalo sa, že náhodné prechádzky Brownových častíc sú spojené s ich účasťou na tepelnom pohybe spolu s molekulami média, v ktorom sú suspendované. Častice majú v priemere rovnakú kinetickú energiu, ale vďaka väčšej hmotnosti majú nižšiu rýchlosť. Teória Brownovho pohybu vysvetľuje náhodné pohyby častice pôsobením náhodných síl od molekúl a trecích síl. Podľa tejto teórie sú molekuly kvapaliny alebo plynu v neustálom tepelnom pohybe a impulzy rôznych molekúl nie sú rovnaké vo veľkosti a smere. Ak je povrch častice umiestnenej v takomto médiu malý, ako je to v prípade Brownovej častice, potom dopady, ktoré častica zažijú od molekúl, ktoré ju obklopujú, nebudú presne kompenzované. Preto v dôsledku „bombardovania“ molekulami sa Brownova častica dostane do náhodného pohybu, pričom zmení veľkosť a smer svojej rýchlosti približne 1014-krát za sekundu. Z tejto teórie vyplýva, že zmeraním posunu častice za určitý čas a poznaním jej polomeru a viskozity kvapaliny možno vypočítať Avogadrove číslo.

Závery teórie Brownovho pohybu potvrdili merania J. Perrina a T. Svedberga v roku 1906. Na základe týchto vzťahov bola experimentálne určená Boltzmannova konštanta a Avogadrova konštanta. (Avogadrova konštanta označuje sa NA, počet molekúl alebo atómov v 1 mole látky, NA=6,022,1023 mol-1; meno na počesť A. Avogadra.

Boltzmannova konštanta, fyzikálna konštanta k, rovná pomeru univerzálnej plynovej konštanty R na číslo Avogadro N A: k = R / N A = 1,3807,10-23 J/K. Pomenovaný po L. Boltzmannovi.)

Pri pozorovaní Brownovho pohybu sa v pravidelných intervaloch zaznamenáva poloha častice. Čím kratšie sú časové intervaly, tým viac bude trajektória častice vyzerať.

Zákony Brownovho pohybu slúžia ako jasné potvrdenie základných princípov molekulárnej kinetickej teórie. Nakoniec sa zistilo, že tepelná forma pohybu hmoty je spôsobená chaotickým pohybom atómov alebo molekúl, ktoré tvoria makroskopické telá.

Pri zdôvodňovaní štatistickej mechaniky zohrala významnú úlohu teória Brownovho pohybu, z ktorej vychádza kinetická teória koagulácie (miešania) vodných roztokov. Okrem toho má aj praktický význam v metrológii, keďže Brownov pohyb je považovaný za hlavný faktor obmedzujúci presnosť meracích prístrojov. Napríklad hranica presnosti údajov zrkadlového galvanometra je určená vibráciou zrkadla, ako je Brownova častica bombardovaná molekulami vzduchu. Zákony Brownovho pohybu určujú náhodný pohyb elektrónov, ktorý spôsobuje šum v elektrických obvodoch. Dielektrické straty v dielektrikách sa vysvetľujú náhodnými pohybmi molekúl dipólu, ktoré tvoria dielektrikum. Náhodné pohyby iónov v roztokoch elektrolytov zvyšujú ich elektrický odpor.

Trajektórie Brownových častíc (schéma Perrinovho experimentu); Bodky označujú polohy častíc v rovnakých časových intervaloch.

teda DIFUZIA ALEBO BROWNOV POHYB – Toto náhodný pohyb drobných častíc suspendovaných v kvapaline alebo plyne, ku ktorému dochádza pod vplyvom vplyvov molekúl prostredia; OTVORENÉ

R. Brown v roku 1827

II. 2. Difúzia, jej typy.

Rozlišuje sa medzi difúziou a samodifúziou.

Difúzia je spontánny prienik molekúl jednej látky do priestorov medzi molekulami inej látky. V tomto prípade sa častice zmiešajú. Difúzia sa pozoruje pre plyny, kvapaliny a tuhé látky. Napríklad kvapka atramentu sa rozmieša v pohári vody. Alebo sa po miestnosti šíri vôňa kolínskej.

Difúzia, podobne ako sebadifúzia, existuje, pokiaľ existuje hustotný gradient látky. Ak hustota akejkoľvek jednej a tej istej látky nie je rovnaká v rôznych častiach objemu, potom sa pozoruje fenomén samodifúzie. Vlastná difúzia nazývaný proces vyrovnávania hustoty(alebo koncentrácia úmerná tomu) rovnakú látku. K difúzii a samodifúzii dochádza v dôsledku tepelného pohybu molekúl, ktoré v nerovnovážnych stavoch vytvárajú toky hmoty.

Hustota hmotnostného toku je hmotnosť látky ( dm), ktoré sa šíria za jednotku času cez jednotku plochy ( dS pl), kolmo na os X :

(1.1)

Fenomén difúzie sa riadi Fickovým zákonom

(1.2)

kde je modul hustotného gradientu, ktorý určuje rýchlosť zmeny hustoty v smere osi X ;

D- difúzny koeficient, ktorý sa vypočíta z molekulárnej kinetickej teórie pomocou vzorca

(1.3)

kde je priemerná rýchlosť tepelného pohybu molekúl;

Priemerná voľná dráha molekúl.

Znamienko mínus znamená, že k prenosu hmoty dochádza v smere klesajúcej hustoty.

Rovnica (1.2) sa nazýva difúzna rovnica alebo Fickov zákon.

II. 3. Rýchlosť difúzie.

Keď sa častica pohybuje v látke, neustále sa zráža s jej molekulami. To je jeden z dôvodov, prečo je za normálnych podmienok difúzia pomalšia ako normálny pohyb. Od čoho závisí rýchlosť difúzie?

Po prvé, na priemernej vzdialenosti medzi zrážkami častíc, t.j. voľná dĺžka cesty. Čím väčšia je táto dĺžka, tým rýchlejšie častica preniká látkou.

Po druhé, tlak ovplyvňuje rýchlosť. Čím hustejšie sú častice v látke, tým ťažšie je pre cudziu časticu takýmto obalom preniknúť.

Po tretie, molekulová hmotnosť látky má hlavnú úlohu pri rýchlosti difúzie. Čím väčší je cieľ, tým je pravdepodobnejšie, že zasiahne a po kolízii sa rýchlosť vždy spomalí.

A po štvrté, teplota. Keď teplota stúpa, vibrácie častíc sa zvyšujú a rýchlosť molekúl sa zvyšuje. Rýchlosť difúzie je však tisíckrát nižšia ako rýchlosť voľného pohybu.

Všetky typy difúzie sa riadia rovnakými zákonmi a sú opísané difúznym koeficientom D, čo je skalárna veličina a je určená prvým Fickovým zákonom.

Pre jednorozmernú difúziu ,

kde J je hustota toku atómov alebo defektov látky,
D - koeficient difúzie,
N je koncentrácia atómov alebo defektov látky.

Difúzia je proces na molekulárnej úrovni a je určený náhodným charakterom pohybu jednotlivých molekúl. Rýchlosť difúzie je teda úmerná priemernej rýchlosti molekúl. V prípade plynov je priemerná rýchlosť malých molekúl väčšia, konkrétne je nepriamo úmerná druhej odmocnine hmotnosti molekuly a zvyšuje sa so zvyšujúcou sa teplotou. Difúzne procesy v pevných látkach pri vysokých teplotách často nachádzajú praktické uplatnenie. Napríklad niektoré typy katódových trubíc (CRT) používajú kovové tórium difundované cez kovový volfrám pri 2000 °C.

Ak je v zmesi plynov jedna molekula štyrikrát ťažšia ako druhá, potom sa takáto molekula pohybuje dvakrát pomalšie ako jej pohyb v čistom plyne. V súlade s tým je rýchlosť jeho difúzie tiež nižšia. Tento rozdiel v rýchlosti difúzie ľahkých a ťažkých molekúl sa využíva na separáciu látok s rôznymi molekulovými hmotnosťami. Príkladom je separácia izotopov. Ak plyn obsahujúci dva izotopy prechádza cez poréznu membránu, ľahšie izotopy prechádzajú cez membránu rýchlejšie ako ťažšie. Pre lepšie oddelenie sa proces uskutočňuje v niekoľkých fázach. Tento proces bol široko používaný na separáciu izotopov uránu (oddelenie 235U, ktorý sa štiepi pri ožiarení neutrónmi, od množstva 238U). Pretože táto separačná metóda vyžaduje veľa energie, boli vyvinuté iné, ekonomickejšie separačné metódy. Napríklad použitie tepelnej difúzie v prostredí plynov je široko rozvinuté. Plyn obsahujúci zmes izotopov sa umiestni do komory, v ktorej sa udržiava priestorový teplotný rozdiel (gradient). V tomto prípade sa ťažké izotopy časom koncentrujú v chladnej oblasti.

Záver. Difúzne zmeny sú ovplyvnené:

· molekulová hmotnosť látky (čím vyššia molekulová hmotnosť, tým nižšia rýchlosť);

· priemerná vzdialenosť medzi zrážkami častíc (čím dlhšia je dĺžka dráhy, tým väčšia je rýchlosť);

· tlak (čím väčšie je balenie častíc, tým ťažšie je preraziť),

· teplota (s rastúcou teplotou sa zvyšuje rýchlosť).

II.4. Difúzia v neživej prírode.

Vedeli ste, že celý náš život je postavený na zvláštnom paradoxe prírody? Každý vie, že vzduch, ktorý dýchame, pozostáva z plynov rôznej hustoty: dusíka N2, kyslíka O2, oxidu uhličitého CO2 a malého množstva iných nečistôt. A tieto plyny musia byť usporiadané vo vrstvách podľa gravitačnej sily: najťažší CO 2 je na samom povrchu zeme, nad ním je O 2 a ešte vyššie je N 2. Ale toto sa nedeje. Sme obklopení homogénnou zmesou plynov. Prečo plameň nezhasne? Koniec koncov, kyslík, ktorý ho obklopuje, rýchlo vyhorí? Tu, ako v prvom prípade, funguje mechanizmus vyrovnávania. Difúzia zabraňuje nerovnováhe v prírode!

Prečo je more slané? Vieme, že rieky prerážajú hrúbku hornín a minerálov a vyplavujú soli do mora. Ako sa mieša soľ a voda? Dá sa to vysvetliť jednoduchým experimentom:

POPIS SKÚSENOSTÍ: Nalejte vodný roztok síranu meďnatého do sklenenej nádoby. Roztok opatrne zalejte čistou vodou. Pozorujeme hranicu medzi kvapalinami.

otázka:Čo sa s týmito kvapalinami časom stane a čo budeme pozorovať?

Postupom času sa hranica medzi kontaktnými kvapalinami začne rozmazávať. Nádobu s tekutinami môžete umiestniť do skrine a deň čo deň môžete pozorovať, ako dochádza k samovoľnému miešaniu tekutín. Nakoniec sa v nádobe vytvorí homogénna svetlomodrá kvapalina, na svetle takmer bezfarebná.

Častice síranu meďnatého sú ťažšie ako voda, ale v dôsledku difúzie pomaly stúpajú nahor. Dôvodom je štruktúra kvapaliny. Kvapalné častice sú zbalené do kompaktných skupín - pseudojadier. Sú od seba oddelené dutinami - dierami. Jadrá nie sú stabilné, ich častice nezostávajú v rovnováhe dlho. Hneď ako sa častici udelí energia, častica sa odtrhne od jadra a spadne do prázdna. Odtiaľ ľahko preskočí na ďalšie jadro atď.

Molekuly cudzorodej látky začínajú svoju cestu kvapalinou z otvorov. Na ceste sa zrazia s jadrami, vyrazia z nich častice a zaujmú ich miesto. Pohybujú sa z jedného voľného miesta na druhé a pomaly sa miešajú s tekutými časticami. Už vieme, že rýchlosť difúzie je nízka. Preto za normálnych podmienok tento experiment trval 18 dní, s ohrevom - 2-3 minúty.

Záver: V plameni Slnka, živote a smrti vzdialených svietiacich hviezd, vo vzduchu, ktorý dýchame, zmenách počasia, takmer vo všetkých fyzikálnych javoch vidíme prejav všemocnej difúzie!

II.5. Difúzia v živej prírode.

Difúzne procesy sú teraz dobre preštudované, boli stanovené ich fyzikálne a chemické zákony a sú celkom použiteľné na pohyb molekúl v živom organizme. Difúzia v živých organizmoch je neoddeliteľne spojená s plazmatickou membránou bunky. Preto je potrebné zistiť, ako je štruktúrovaný a ako vlastnosti jeho štruktúry súvisia s transportom látok v bunke.

Plazmatická membrána (plazmalema, bunková membrána), povrchová, periférna štruktúra obklopujúca protoplazmu rastlinných a živočíšnych buniek, slúži nielen ako mechanická bariéra, ale hlavne obmedzuje voľný obojsmerný tok nízko- a vysoko- molekulárnych látok do bunky a von z bunky. Okrem toho plazmalema pôsobí ako štruktúra, ktorá „rozpoznáva“ rôzne chemické látky a reguluje selektívny transport týchto látok do bunky.

Vonkajší povrch plazmatickej membrány je pokrytý voľnou vláknitou vrstvou látky s hrúbkou 3-4 nm - glykokalyxou. Pozostáva z vetviacich reťazcov komplexných sacharidov, membránových integrálnych bielkovín, medzi ktorými sa môžu nachádzať bunkami vylučované zlúčeniny bielkovín s cukrami a bielkovín s tukmi. Nachádzajú sa tu aj niektoré bunkové enzýmy, ktoré sa podieľajú na extracelulárnom rozklade látok (extracelulárne trávenie napr. v črevnom epiteli).

Pretože vnútro lipidovej vrstvy je hydrofóbne, predstavuje prakticky nepreniknuteľnú bariéru pre väčšinu polárnych molekúl. Vďaka prítomnosti tejto bariéry je zabránené úniku obsahu buniek, ale kvôli tomu bola bunka nútená vytvoriť špeciálne mechanizmy na transport látok rozpustných vo vode cez membránu.

Plazmatická membrána, podobne ako iné lipoproteínové bunkové membrány, je semipermeabilná. Voda a plyny v nej rozpustené majú maximálnu penetračnú schopnosť. Transport iónov môže prebiehať pozdĺž koncentračného gradientu, t.j. pasívne, bez spotreby energie. V tomto prípade niektoré membránové transportné proteíny tvoria molekulárne komplexy, kanály, ktorými ióny prechádzajú cez membránu jednoduchou difúziou. V iných prípadoch sa špeciálne membránové transportné proteíny selektívne viažu na jeden alebo druhý ión a transportujú ho cez membránu. Tento typ transportu sa nazýva aktívny transport a uskutočňuje sa pomocou proteínových iónových púmp. Napríklad, keď čerpací systém K-Na spotrebuje 1 molekulu ATP, pumpuje 3 Na ióny z bunky v jednom cykle a pumpuje 2 K ióny proti koncentračnému gradientu. V kombinácii s aktívnym transportom iónov prenikajú do plazmalemy rôzne cukry, nukleotidy a aminokyseliny. Makromolekuly, ako sú bielkoviny, cez membránu neprechádzajú. Tie, ako aj väčšie častice látky, sú transportované do bunky endocytózou. Počas endocytózy určitá oblasť plazmalemy zachytí, obalí extracelulárny materiál a uzavrie ho do membránovej vakuoly. Táto vakuola – endozóm – sa spája v cytoplazme s primárnym lyzozómom a dochádza k štiepeniu zachyteného materiálu. Endocytóza sa formálne delí na fagocytózu (vychytávanie veľkých častíc bunkou) a pinocytózu (prijímanie roztokov). Plazmatická membrána sa tiež podieľa na odstraňovaní látok z bunky pomocou exocytózy, čo je proces opačný k endocytóze.

Pre živé organizmy je dôležitá najmä difúzia iónov vo vodných roztokoch. Úloha difúzie pri dýchaní, fotosyntéze a transpirácii rastlín je nemenej dôležitá; pri prenose vzdušného kyslíka cez steny pľúcnych alveol a jeho vstupe do krvi ľudí a zvierat. Difúzia molekulárnych iónov cez membrány sa uskutočňuje elektrickým potenciálom v bunke. Membrány, ktoré majú selektívnu priepustnosť, zohrávajú úlohu colníkov pri preprave tovaru cez hranice: niektoré látky sú povolené, iné sú zadržané a iné sú vo všeobecnosti „vytlačené“ z bunky. Úloha membrán v živote buniek je veľmi dôležitá. Umierajúca bunka stráca kontrolu nad schopnosťou regulovať koncentráciu látok cez membránu. Prvým znakom odumierajúcej bunky je začiatok zmien priepustnosti a poruchy jej vonkajšej membrány.

Okrem klasického transportu - kinetického procesu prenosu častíc látky pod vplyvom gradientov elektrického alebo chemického potenciálu, teploty alebo tlaku - prebieha aktívny transport aj v bunkových procesoch - pohyb molekúl a iónov proti koncentračnému gradientu látok. Tento difúzny mechanizmus sa nazýva osmóza. (Osmózu prvýkrát pozoroval A. Nolle v roku 1748, ale výskum tohto javu sa začal o storočie neskôr.) Tento proces sa uskutočňuje v dôsledku rozdielneho osmotického tlaku vo vodnom roztoku na rôznych stranách biologickej membrány Voda často voľne prechádza cez osmóza cez membránu, ale táto membrána môže byť nepriepustná pre látky rozpustené vo vode. Je zvláštne, že voda prúdi proti difúzii tejto látky, ale dodržiava všeobecný zákon koncentračného gradientu (v tomto prípade voda).

Preto má voda tendenciu od zriedenejšieho roztoku, kde je jej koncentrácia vyššia, ku koncentrovanejšiemu roztoku látky, v ktorom je koncentrácia vody nižšia. Bunka nie je schopná priamo absorbovať a odčerpávať vodu, robí to osmózou, ktorá mení koncentráciu rozpustených látok v nej. Osmóza vyrovnáva koncentráciu roztoku na oboch stranách membrány. Napätý stav bunkovej membrány, ktorý sa nazýva turgorový tlak, závisí od osmotického tlaku roztokov látok na oboch stranách bunkovej membrány a elasticity bunkovej membrány, ktorá sa nazýva turgorový tlak (turgor – z lat. turgere - byť opuchnutý, naplnený). Elasticita membrán živočíšnych buniek (s výnimkou niektorých koelenterátov) je zvyčajne nízka; chýba im vysoký turgorový tlak a zachovávajú si integritu iba v izotonických roztokoch alebo tých, ktoré sa od izotonických roztokov líšia len málo (rozdiel medzi vnútorným a vonkajším tlakom je menší ako 0,5 – 1,0 ráno). V živých rastlinných bunkách je vnútorný tlak vždy väčší ako vonkajší tlak, nedochádza v nich však k pretrhnutiu bunkovej membrány v dôsledku prítomnosti celulózovej bunkovej steny. Rozdiel medzi vnútornými a vonkajšími tlakmi v rastlinách (napríklad v halofytných rastlinách – slanomilných hubách) dosahuje 50-100 hod. Ale aj tak je bezpečnostná rezerva rastlinnej bunky 60-70%. Vo väčšine rastlín relatívne predĺženie bunkovej membrány v dôsledku turgoru nepresahuje 5-10% a tlak turgoru leží v rozmedzí 5-10 hodín ráno. Vďaka turgoru majú rastlinné tkanivá elasticitu a štrukturálnu pevnosť. (Experimenty č. 3, č. 4 to potvrdzujú). Všetky procesy autolýzy (sebadeštrukcia), vädnutia a starnutia sú sprevádzané poklesom tlaku turgoru.

Keď uvažujeme o difúzii v živej prírode, nemožno nespomenúť absorpciu. Absorpcia je proces vstupu rôznych látok z prostredia cez bunkové membrány do buniek a cez ne do vnútorného prostredia organizmu. V rastlinách ide o proces absorpcie vody s látkami v nej rozpustenými koreňmi a listami osmózou a difúziou; u bezstavovcov - z prostredia alebo dutinovej tekutiny. V primitívnych organizmoch dochádza k absorpcii pinocytózou a fagocytózou. U stavovcov môže k absorpcii dochádzať ako z dutinových orgánov - pľúc, maternice, močového mechúra, tak aj z povrchu kože, z povrchu rany atď. Prchavé plyny a výpary sú absorbované kožou.

Najväčší fyziologický význam má vstrebávanie v gastrointestinálnom trakte, ku ktorému dochádza najmä v tenkom čreve. Pre účinný prenos látok je dôležitý najmä veľký povrch čreva a neustále vysoký prietok krvi v sliznici, vďaka čomu sa zachováva vysoký koncentračný gradient absorbovaných zlúčenín. U ľudí je mezenterický prietok krvi počas jedla asi 400 ml/min a vo výške trávenia až 750 ml/min, pričom hlavným podielom (až 80 %) je prietok krvi v sliznici tráviacich orgánov. . Vďaka prítomnosti štruktúr, ktoré zväčšujú povrch sliznice - kruhové záhyby, klky, mikroklky, dosahuje celková plocha absorpčného povrchu ľudského čreva 200 m2.

Voda a roztoky solí môžu difundovať na obe strany črevnej steny, v tenkom aj hrubom čreve. K ich vstrebávaniu dochádza najmä v horných častiach tenkého čreva. Veľký význam má transport iónov Na+ v tenkom čreve, vďaka čomu vznikajú najmä elektrické a osmotické gradienty. K absorpcii iónov Na+ dochádza aktívnym aj pasívnym mechanizmom.

Ak by bunka nemala systémy na reguláciu osmotického tlaku, potom by koncentrácia rozpustených látok v nej bola väčšia ako ich vonkajšie koncentrácie. Potom by bola koncentrácia vody v bunke menšia ako jej koncentrácia vonku. V dôsledku toho by dochádzalo k neustálemu prúdeniu vody do bunky a jej prasknutiu. Našťastie živočíšne bunky a baktérie kontrolujú osmotický tlak vo svojich bunkách aktívnym odčerpávaním anorganických iónov, ako je Na. Preto je ich celková koncentrácia vo vnútri bunky nižšia ako vonku. Napríklad obojživelníky trávia podstatnú časť času vo vode a obsah soli v krvi a lymfe je vyšší ako v sladkej vode. Organizmy obojživelníkov nepretržite absorbujú vodu cez pokožku. Preto produkujú veľa moču. Napríklad žaba, ak má kloaku obviazanú, nafúkne sa ako balón. A naopak, ak sa obojživelník dostane do slanej morskej vody, dehydratuje sa a veľmi rýchlo uhynie. Preto sú moria a oceány pre obojživelníky neprekonateľnou prekážkou. Rastlinné bunky majú pevné steny, ktoré ich chránia pred opuchom. Mnoho prvokov sa vyhýba prasknutiu z vody vstupujúcej do bunky pomocou špeciálnych mechanizmov, ktoré pravidelne vyhadzujú prichádzajúcu vodu.

Bunka je teda otvorený termodynamický systém, ktorý si s okolím vymieňa hmotu a energiu, no zachováva určitú stálosť vnútorného prostredia. Tieto dve vlastnosti samoregulačného systému – otvorenosť a stálosť – sú splnené súčasne a za stálosť bunky je zodpovedný metabolizmus (metabolizmus). Metabolizmus je regulátor, ktorý prispieva k zachovaniu systému, zabezpečuje primeranú reakciu na vplyvy prostredia. Nevyhnutnou podmienkou metabolizmu je preto dráždivosť živého systému na všetkých úrovniach, ktorá zároveň pôsobí ako faktor systematickosti a celistvosti systému.

Membrány môžu zmeniť svoju priepustnosť pod vplyvom chemických a fyzikálnych faktorov, a to aj v dôsledku depolarizácie membrány, keď elektrický impulz prechádza neurónovým systémom a ovplyvňuje ho.

Neurón je kus nervového vlákna. Ak na jeho jednom konci pôsobí podnet, vzniká elektrický impulz. Jeho hodnota je pre ľudské svalové bunky asi 0,01 V a šíri sa rýchlosťou asi 4 m/s. Keď impulz dosiahne synapsiu - spojenie medzi neurónmi, ktoré možno považovať za akési relé, ktoré prenáša signál z jedného neurónu na druhý, elektrický impulz sa premení na chemický impulz prostredníctvom uvoľnenia neurotransmiterov - špecifických intermediárnych látok. Keď molekuly takéhoto sprostredkovateľa vstúpia do medzery medzi neurónmi, neurotransmiter dosiahne koniec medzery difúziou a excituje nasledujúci neurón.

Neurón však reaguje len vtedy, ak sú na jeho povrchu špeciálne molekuly – receptory, ktoré sa dokážu viazať len na daný vysielač a na iný nereagujú. K tomu dochádza nielen na membráne, ale aj v akomkoľvek orgáne, ako je sval, čo spôsobuje jeho kontrakciu. Signály-impulzy cez synapsie môžu inhibovať alebo zosilňovať prenos iných, a preto neuróny vykonávajú logické funkcie („a“, „alebo“), čo N. Wienerovi do určitej miery poslúžilo ako základ pre presvedčenie, že výpočtové procesy v mozog živého organizmu a v počítačoch sa riadia v podstate rovnakým vzorom. Potom nám informačný prístup umožňuje jednotne popísať neživú a živú prírodu.

Samotný proces signálu ovplyvňujúceho membránu spočíva v zmene jej vysokého elektrického odporu, keďže potenciálny rozdiel na nej je tiež rádovo 0,01 V. Zníženie odporu vedie k zvýšeniu impulzu elektrického prúdu a prenášanie budenia ďalej vo forme nervového impulzu, čím sa mení možnosť prechodu membránou určitých iónov. Informácie v tele sa teda môžu prenášať v kombinácii chemickými a fyzikálnymi mechanizmami, čo zabezpečuje spoľahlivosť a rozmanitosť kanálov na ich prenos a spracovanie v živom systéme.

Procesy normálneho dýchania živého organizmu, ktoré si vyžaduje kyslík O2 získaný fotosyntézou, úzko súvisia s procesmi normálneho dýchania živého organizmu, keď sa v mitochondriách bunky tvoria molekuly ATP, ktoré jej poskytujú potrebnú energiu. Mechanizmy týchto procesov sú tiež založené na zákonoch difúzie. V podstate ide o materiálne a energetické zložky, ktoré sú nevyhnutné pre živý organizmus. Fotosyntéza je proces ukladania slnečnej energie vytváraním nových väzieb v molekulách syntetizovaných látok. Východiskové materiály pre fotosyntézu sú voda H2O a oxid uhličitý CO2. Z týchto jednoduchých anorganických zlúčenín vznikajú zložitejšie, energeticky bohatšie živiny. Ako vedľajší produkt, ale pre nás veľmi dôležitý, vzniká molekulárny kyslík O2. Príkladom je reakcia, ku ktorej dochádza v dôsledku absorpcie svetelných kvánt a prítomnosti chlorofylového pigmentu obsiahnutého v chloroplastoch.

Výsledkom je jedna molekula cukru C 6 H 12 O 6 a šesť molekúl kyslíka O 2 . Proces prebieha v etapách, najprv v štádiu fotolýzy sa štiepením vody tvorí vodík a kyslík a potom vodík, ktorý sa spája s oxidom uhličitým, vytvára sacharid - cukor C 6 H 12 O 6. Fotosyntéza je v podstate premena žiarivej energie Slnka na energiu chemických väzieb vznikajúcich organických látok. Fotosyntéza, ktorá produkuje kyslík O 2 vo svetle, je teda biologický proces, ktorý poskytuje živým organizmom voľnú energiu. Proces normálneho dýchania ako metabolický proces v tele spojený so spotrebou kyslíka je opakom procesu fotosyntézy. Oba tieto procesy môžu sledovať nasledujúci reťazec:

Slnečná energia (fotosyntéza)

živiny + (dýchanie)

Energia chemických väzieb.

Konečné produkty dýchania slúžia ako východiskové materiály pre fotosyntézu. Procesy fotosyntézy a dýchania sa teda podieľajú na kolobehu látok na Zemi. Časť slnečného žiarenia pohlcujú rastliny a niektoré organizmy, ktoré, ako už vieme, sú autotrofy, t.j. samokŕmenie (potrava pre nich je slnečné svetlo). Výsledkom procesu fotosyntézy je, že autotrofy viažu atmosférický oxid uhličitý a vodu, pričom vytvárajú až 150 miliárd ton organických látok, asimilujú až 300 miliárd ton CO 2 a uvoľňujú asi 200 miliárd ton voľného kyslíka O 2 ročne.

Výsledné organické látky používajú ako potravu ľudia a bylinožravce, ktoré sa zase živia inými heterotrofmi. Rastlinné a živočíšne zvyšky sa potom rozložia na jednoduché anorganické látky, ktoré sa opäť môžu podieľať vo forme CO 2 a H 2 O na fotosyntéze. Časť výslednej energie, vrátane energie uloženej vo forme fosílneho energetického paliva, sa využíva na spotrebu živými organizmami, zatiaľ čo časť sa zbytočne rozptýli do životného prostredia. Preto je proces fotosyntézy, vďaka schopnosti poskytnúť mu potrebnú energiu a kyslík, v určitom štádiu vývoja biosféry Zeme katalyzátorom evolúcie živých organizmov.

Difúzne procesy sú základom metabolizmu v bunke, čo znamená, že s ich pomocou sa tieto procesy uskutočňujú na úrovni orgánov. Takto prebiehajú absorpčné procesy v koreňových vláskoch rastlín, črevách zvierat a ľudí; výmena plynov v prieduchoch rastlín, pľúcach a tkanivách ľudí a zvierat, vylučovacie procesy.

Biológovia študujú štruktúru a štúdium buniek už viac ako 150 rokov, počnúc Schleidenom, Schwannom, Purime a Virchowom, ktorí v roku 1855 stanovili mechanizmus rastu buniek ich delením. Zistilo sa, že každý organizmus sa vyvíja z jednej bunky, ktorá sa začína deliť a v dôsledku toho vzniká veľa buniek, ktoré sa od seba výrazne líšia. Ale keďže vývoj organizmu spočiatku začal rozdelením prvej bunky, potom si v jednej fáze nášho životného cyklu zachovávame podobnosti s veľmi vzdialeným jednobunkovým predkom a možno žartom povedať, že je pravdepodobnejšie, že pochádzame z améba než z opice.

Z buniek sa tvoria orgány a bunkový systém nadobúda vlastnosti, ktoré jeho základné prvky nemajú, t.j. jednotlivé bunky. Tieto rozdiely sú spôsobené súborom proteínov syntetizovaných danou bunkou. Existujú svalové bunky, nervové bunky, krvinky (erytrocyty), epitelové bunky a iné, podľa ich funkčnosti. K diferenciácii buniek dochádza postupne počas vývoja organizmu. V procese delenia buniek, ich života a smrti, dochádza k nepretržitej výmene buniek počas celého života organizmu.

Ani jedna molekula v našom tele nezostane nezmenená dlhšie ako niekoľko týždňov či mesiacov. Počas tejto doby sa molekuly syntetizujú, plnia svoju úlohu v živote bunky, sú zničené a nahradené inými, viac-menej identickými molekulami. Najúžasnejšie je, že živé organizmy ako celok sú oveľa konštantnejšie ako molekuly, ktoré ich tvoria, a štruktúra buniek a celého tela pozostávajúceho z týchto buniek zostáva nezmenená v tomto nepretržitom cykle, napriek výmene jednotlivé zložky.

Navyše nejde o výmenu jednotlivých dielov auta, ale, ako obrazne porovnáva S. Rose, o karosériu s murovanou stavbou, „z ktorej bláznivý murár nepretržite odoberá jednu tehlu za druhou nocou a dňom a vkladá nové. na ich mieste. Vonkajší vzhľad budovy zároveň zostáva rovnaký, no materiál sa neustále vymieňa.“ S niektorými neurónmi a bunkami sa rodíme a s inými zomierame. Príkladom je vedomie, chápanie a vnímanie dieťaťa a starého človeka. Všetky bunky obsahujú kompletnú genetickú informáciu pre stavbu všetkých bielkovín daného organizmu. Ukladanie a prenos dedičných informácií sa uskutočňuje pomocou bunkového jadra.

Záver: Úlohu permeability plazmatickej membrány v živote buniek nemožno zveličovať. Väčšina procesov spojených so zásobovaním bunky energiou, získavaním produktov a zbavovaním sa produktov rozpadu je založená na zákonoch difúzie cez túto polopriepustnú živú bariéru.

Osmóza- v podstate jednoduchá difúzia vody z miest s vyššou koncentráciou vody do miest s nižšou koncentráciou vody.

Pasívna doprava– ide o presun látok z miest s vysokým elektrochemickým potenciálom do miest s nižšou hodnotou. Prenos malých molekúl rozpustných vo vode sa uskutočňuje pomocou špeciálnych transportných proteínov. Ide o špeciálne transmembránové proteíny, z ktorých každý je zodpovedný za transport špecifických molekúl alebo skupín príbuzných molekúl.

Často je potrebné zabezpečiť transport molekúl cez membránu proti ich elektrochemickému gradientu. Tento proces sa nazýva aktívny transport a je vykonávaná nosnými proteínmi, ktorých činnosť si vyžaduje energiu. Ak spojíte nosný proteín so zdrojom energie, môžete získať mechanizmus, ktorý zabezpečí aktívny transport látok cez membránu.

II.6. Aplikácia difúzie.

Človek využíva difúzne javy už od pradávna. Tento proces zahŕňa varenie a vykurovanie domu. S difúziou sa stretávame pri tepelnom spracovaní kovov (zváranie, spájkovanie, rezanie, povlakovanie a pod.); nanášanie tenkej vrstvy kovov na povrch kovových výrobkov pre zvýšenie chemickej odolnosti, pevnosti, tvrdosti dielov a zariadení alebo na ochranné a dekoratívne účely (galvanizácia, chrómovanie, niklovanie).

Prírodný horľavý plyn, ktorý používame doma na varenie, nemá farbu ani zápach. Preto by bolo ťažké okamžite spozorovať únik plynu. A keď dôjde k úniku, plyn sa vďaka difúzii šíri po celej miestnosti. Medzitým sa pri určitom pomere plynu a vzduchu v uzavretej miestnosti vytvorí zmes, ktorá môže vybuchnúť napríklad zo zapálenej zápalky. Plyn môže spôsobiť aj otravu.

Aby bolo prúdenie plynu do miestnosti zreteľné, na distribučných staniciach sa horľavý plyn vopred zmiešava so špeciálnymi látkami, ktoré majú silný nepríjemný zápach, ktorý človek ľahko vníma aj pri veľmi nízkych koncentráciách. Toto opatrenie vám umožňuje rýchlo si všimnúť nahromadenie plynu v miestnosti, ak dôjde k úniku.

V modernom priemysle sa používa vákuové tvarovanie, spôsob výroby výrobkov z termoplastov. Produkt požadovanej konfigurácie sa získa v dôsledku tlakového rozdielu vyplývajúceho z podtlaku v dutine formy, nad ktorou je plech pripevnený. Používa sa napríklad pri výrobe nádob, častí chladničiek, krytov nástrojov. Vďaka difúzii týmto spôsobom je možné zvárať niečo, čo nie je možné zvárať samostatne (kov so sklom, sklo a keramika, kovy a keramika a mnohé ďalšie).

V dôsledku difúzie rôznych izotopov uránu cez porézne membrány sa spracováva palivo pre jadrové reaktory. Niekedy sa jadrové palivo nazýva jadrové palivo.

K absorpcii (resorpcii) látok pri zavádzaní do podkožia, do svalov alebo pri aplikácii na sliznicu oka, nosa alebo kože zvukovodu dochádza najmä difúziou. To je základ pre použitie mnohých liečivých látok a vstrebávanie vo svaloch prebieha rýchlejšie ako v koži.

Populárna múdrosť hovorí: "Kosiť si vlasy, kým je rosa." Povedz mi, čo s tým má spoločné difúzia a ranné kosenie? Vysvetlenie je veľmi jednoduché. Počas rannej rosy majú trávy zvýšený tlak turgoru, prieduchy sú otvorené a steblá elastické, čo uľahčuje ich kosenie (tráva pokosená so zatvorenými prieduchmi horšie schne).

V záhradníctve pri pučaní a vrúbľovaní rastlín vzniká na rezoch kalus difúziou (z lat. Callus - kalus) - ranové tkanivo vo forme prítoku v miestach poškodenia a podporuje ich hojenie, zabezpečuje splynutie vrúbľa s podpník.

Kalus sa používa na získanie izolovanej tkanivovej kultúry (explantácia). Ide o metódu dlhodobej konzervácie a kultivácie buniek, tkanív, malých orgánov alebo ich častí izolovaných z ľudského tela, zvierat a rastlín v špeciálnych živných médiách. Na základe metód pestovania kultúry mikroorganizmov, ktoré zabezpečujú asepsu, výživu, výmenu plynov a odstraňovanie produktov látkovej premeny kultivovaných predmetov. Jednou z výhod metódy tkanivovej kultúry je možnosť pozorovať životnú aktivitu buniek pomocou mikroskopu. Na tento účel sa rastlinné tkanivo pestuje na živných médiách obsahujúcich auxíny a cytokiníny. Kalus sa zvyčajne skladá zo slabo diferencovaných homogénnych buniek vzdelávacieho tkaniva, ale pri zmene podmienok pestovania, najmä obsahu fytohormónov v živnom médiu, je v ňom možná tvorba floému, xylému a iných tkanív, ako aj vývoj rôznych orgánov. a celú rastlinu.

II.7. Návrh jednotlivých experimentov.

Pomocou vedeckej literatúry som sa pokúsil zopakovať experimenty, ktoré boli pre mňa najzaujímavejšie. Mechanizmus difúzie a výsledky týchto experimentov som znázornil v prezentácii vo forme animačných modelov.

SKÚSENOSTI 1. Vezmite dve skúmavky: jednu polovicu naplnenú vodou a druhú polovicu naplnenú pieskom. Nalejte vodu do skúmavky s pieskom. Objem zmesi vody a piesku v skúmavke je menší ako súčet objemov vody a piesku.

SKÚSENOSTI 2. Naplňte dlhú sklenenú trubicu do polovice vodou a na vrch nalejte farebný alkohol. Označte všeobecnú hladinu kvapalín v trubici gumovým krúžkom. Po zmiešaní vody a alkoholu sa objem zmesi zmenší.

(Experimenty 1 a 2 dokazujú, že medzi časticami hmoty sú medzery; počas difúzie sú vyplnené časticami cudzej látky.)

SKÚSENOSTI 3. Vatu navlhčenú čpavkom uvedieme do kontaktu s vatou navlhčenou indikátorom fenolftaleínom. Farbenie rún pozorujeme v karmínovej farbe.

Teraz sa na dno sklenenej nádoby umiestni vata navlhčená amoniakom a jedna navlhčená fenolftaleínom. Pripevnite ho na veko a prikryte sklenenú nádobu týmto vekom. Po určitom čase sa vata nasiaknutá fenolftaleínom začne farbiť.

V dôsledku interakcie s amoniakom sa fenolftaleín stáva karmínovým, čo sme pozorovali pri kontakte vaty. Ale prečo potom v druhom prípade vata nasiaknutá fenolftaleínom. Je to aj nalakované, lebo teraz sa tie rúna nedostanú do kontaktu? Odpoveď: nepretržitý chaotický pohyb častíc látok.

SKÚSENOSTI 4. Pozdĺž steny vo vysokej valcovej nádobe umiestnite úzky pásik filtračného papiera namočený v zmesi škrobovej pasty a fenolftaleínového indikátorového roztoku. Na dno nádoby umiestnite kryštály jódu. Nádobu pevne uzavrite vekom, na ktorom je zavesená vata namočená v roztoku amoniaku.

V dôsledku interakcie jódu so škrobom sa na pásiku papiera dvíha modrofialová farba. Zároveň sa smerom nadol šíri karmínová farba – dôkaz pohybu molekúl amoniaku. Po niekoľkých minútach sa hranice farebných plôch papiera stretnú a následne sa modrá a karmínová farba zmiešajú, čiže dochádza k difúzii.[10]

SKÚSENOSTI 5.(strávte to spolu) Vezmite hodinky so sekundovou ručičkou, meter, fľašu toaletnej vody a postavte sa do rôznych kútov miestnosti. Jeden si všimne čas a otvorí fľašu. Ďalší si všimne čas, keď cíti vôňu toaletnej vody. Meraním vzdialenosti medzi experimentátormi zistíme rýchlosť difúzie. Kvôli presnosti sa experiment opakuje 3-4 krát a nájde sa priemerná hodnota rýchlosti. Ak je vzdialenosť medzi experimentátormi 5 metrov, potom je zápach cítiť po 12 minútach. To znamená, že rýchlosť difúzie je v tomto prípade 2,4 m/min.

SKÚSENOSTI 6. STANOVENIE VISKOZITY PLAZMY METÓDOU PLAZMOlýzy (podľa P.A. Genkel).

Rýchlosť dopredu konvexná plazmolýza v rastlinných bunkách, keď sú ošetrené hypertanickým roztokom, závisí to od viskozity cytoplazmy; čím nižšia je viskozita cytoplazmy, tým skôr sa konkávna plazmolýza zmení na konvexnú. Viskozita cytoplazmy závisí od stupňa disperzie koloidných častíc a ich hydratácie, od obsahu vody v bunke, od veku buniek a ďalších faktorov.

Pokrok. Vytvorte tenkú časť epidermis z listu aloe alebo odtrhnite epidermis z mäkkých šupín cibule. Pripravené rezy sa tónujú v hodinovom sklíčku počas 10 minút v neutrálnom červenom roztoku v koncentrácii 1:5000. Potom sa rezy predmetu umiestnia na podložné sklíčko v kvapke sacharózy s nízkou koncentráciou a prikryjú sa jedným krycím sklíčkom. Pod mikroskopom sa zaznamená stav plazmolýzy. Najprv sa v bunkách pozoruje konkávna plazmolýza. Následne sa tento tvar buď zachová, alebo sa rôznou rýchlosťou premení na konvexný tvar. Je dôležité si všimnúť čas prechodu z konkávnej plazmolýzy na konvexnú. Časové obdobie, počas ktorého sa konkávna plazmolýza transformuje na konvexnú plazmolýzu, je indikátorom stupňa viskozity protoplazmy. Čím dlhší je čas prechodu do konvexnej plazmolýzy, tým väčšia je viskozita plazmy. Plazmolýza v cibuľových bunkách začína rýchlejšie ako v šupke aloe. To znamená, že cytoplazma buniek aloe je viskóznejšia.

SKÚSENOSTI 7. Plazmolýza. DEPLASMOLYSIS. PRENIKNUTIE LÁTOK DO VAKUOLE [2]

Niektoré organické látky prenikajú pomerne rýchlo do vakuoly. V bunkách, keď sú držané v roztokoch takýchto látok, sa plazmolýza pomerne rýchlo stráca a dochádza k deplazmolýze.

Deplazmolýza je obnovenie turgoru v bunkách(t.j. opačný jav ako plazmolýza).

Pokrok. Rezy hornej epidermy farebných cibuľových šupín (konkávna strana) sa umiestnia do kvapky 1 M roztoku rastlinného hnojiva močoviny alebo glycerolu priamo na podložné sklíčko a prikryjú sa krycím sklíčkom. Po 15-30 minútach sa predmety skúmajú pod mikroskopom. Plazmolyzované bunky sú jasne viditeľné. Rezy nechajte v kvapke roztoku ďalších 30-40 minút. Potom sa opäť pozrú pod mikroskop a pozorujú deplazmolýzu – obnovenie turgoru.

Záver : Rastliny nemôžu jasne kontrolovať množstvo chemikálií vstupujúcich a vystupujúcich z buniek.

III. Záver.

Zákony difúzie riadia procesy fyzikálnych a chemických pohybov prvkov vo vnútri Zeme a vo vesmíre, ako aj životne dôležité procesy buniek a tkanív živých organizmov. Difúzia zohráva dôležitú úlohu v rôznych oblastiach vedy a techniky, v procesoch prebiehajúcich v živej i neživej prírode. Difúzia ovplyvňuje priebeh mnohých chemických reakcií, ako aj mnohých fyzikálno-chemických procesov a javov: membrána, vyparovanie, kondenzácia, kryštalizácia, rozpúšťanie, napučiavanie, spaľovanie, katalytické, chromatografické, luminiscenčné, elektrické a optické v polovodičoch, moderovanie neutrónov v jadrových reaktoroch atď. . Difúzia má veľký význam pri vytváraní dvojitej elektrickej vrstvy na fázových hraniciach, difúzii a elektroforéze, pri fotografických procesoch na rýchle získavanie obrázkov atď. Difúzia slúži ako základ pre mnohé bežné technické operácie: spekanie práškov, chemicko-tepelné spracovanie kovov, metalizácia a zváranie materiálov, činenie koží a kožušín, farbenie vlákien, pohyb plynov pomocou difúznych čerpadiel. Úloha difúzie výrazne vzrástla v dôsledku potreby vytvárať materiály s vopred určenými vlastnosťami pre rozvíjajúce sa oblasti techniky (jadrová energetika, astronautika, radiačné a plazmochemické procesy atď.). Znalosť zákonov upravujúcich difúziu umožňuje predchádzať nežiaducim zmenám vo výrobkoch, ku ktorým dochádza pod vplyvom vysokého zaťaženia a teplôt, žiarenia a mnoho, oveľa viac...

Aký by bol svet bez šírenia? Zastavte tepelný pohyb častíc - a všetko okolo bude mŕtve!

Vo svojej práci som zhrnul zozbieraný materiál k téme abstraktu a na jeho obhajobu pripravil prezentáciu urobenú v editore Power Point. Táto prezentácia môže podľa môjho názoru diverzifikovať vyučovací materiál na túto tému. Niektoré experimenty opísané v literatúre som zopakoval a mierne upravil. Najzaujímavejšie príklady difúzie sú prezentované na prezentačných snímkach v animovaných modeloch.

IV. Použité knihy:

1. Antonov V.F., Chernysh A.M., Pasechnik V.I., a kol., Biofyzika.

M., Arktos-Vika-press, 1996

2. Afanasyev Yu.I., Yurina N.A., Kotovsky E.F. a iné.Histológia.

M. Medicine, 1999.

3. Alberts B., Bray D., Lewis J. a ďalší Molekulárna biológia bunky.

V 3 zväzkoch. Zväzok 1. M., Mir, 1994.

4. Veľká encyklopédia Cyrila a Metoda 2006

5. Varikash V.M. a iné.Fyzika v živej prírode. Minsk, 1984.

6. Demjankov E.N. Problémy v biológii. M. Vladoš, 2004.

7. Nikolaev N.I. Difúzia v membránach. M. Chemistry, 1980, str

8. Peryshkin A.V. fyzika. 7. M. Drop, 2004.

9. Fyzický encyklopedický slovník, M., 1983, s. 174-175, 652, 754

10. Šablovský V. Zábavná fyzika. Petrohrad, „trigon“ 1997, s.416

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

12.xttp//markiv. narod.ru./

13. “http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%94%D0%B8%D1%84%D1%84%D1%83%D0%B7%D0%B8%D1%8F” Kategórie: Javy na atómovej úrovni | Termodynamické javy | Prenosové javy | Difúzia

Úvod
1. Pojem a zákonitosti difúzie
1.1 Pojem difúznych procesov……………………………………………………….. 5
1.2 Vzorce difúzie…………………………………………6
2. Využitie difúznych procesov
2.1 Difúzia pri spracovaní kovov …………………………………………………………8
2.2 Plazmolýza……………………………………………………………………… 11
2.3 Osmóza……………………………………………………………………………………… 11
3. Aplikácia difúzie vo výrobe………………………... 13
4. Aplikácia difúzie v medicíne. Prístroj na „umelú obličku“....15
5. Aplikácia difúzie v technológii………………………………………………...16
Záver
Zoznam použitej literatúry

Úvod

Témou mojej práce v kurze je: „Difúzne procesy a ich využitie v technike“.

Difúzia je základným fenoménom prírody. Je základom premien hmoty a energie. Jeho prejavy prebiehajú na všetkých úrovniach organizácie prírodných systémov našej planéty, počnúc úrovňou elementárnych častíc, atómov a molekúl a končiac geosférou. Je široko používaný v technike a v každodennom živote.
Podstatou difúzie je pohyb častíc média, ktorý vedie k prenosu látok a vyrovnávaniu koncentrácií alebo k nastoleniu rovnovážneho rozloženia častíc daného typu v médiu. Difúzia molekúl a atómov v dôsledku ich tepelného pohybu. .
Proces difúzie je jedným z mechanizmov prejavu druhého termodynamického zákona, podľa ktorého má každý systém tendenciu prejsť do rovnovážnejšieho stavu, to znamená do stabilného stavu charakterizovaného zvýšením entropie a minimom energie.
Difúzia je jedným z najdôležitejších technologických procesov pri výrobe všetkých typov elektronických zariadení a mikroobvodov.

Difúzia je základný proces, ktorý je základom fungovania živých systémov na akejkoľvek úrovni organizácie, od úrovne elementárnych častíc (elektrónová difúzia) až po úroveň biosféry (cirkulácia látok v biosfére).

Fenomén difúzie je v praxi široko používaný. V každodennom živote - varenie čaju, konzervovanie zeleniny, výroba džemov. Vo výrobe - nauhličovanie (...oceľových dielov na zvýšenie ich tvrdosti a tepelnej odolnosti), procesy hliníkovania a oxidácie.

Cieľom predmetovej práce je oboznámiť sa s pojmom difúzie a difúzne procesy, analyzovať ich využitie vo výrobe, technológii a medicíne. S prihliadnutím na špecifiká tejto témy a rozsah nastolených problémov nám štruktúra práce umožňuje v prvej časti dôsledne odpovedať na teoretické otázky a v druhej sa naučiť praktické využitie difúznych procesov.

1. Pojem a zákonitosti difúzie

1.1 Koncepcia difúznych procesov

Proces prenikania častíc (molekúl, atómov, iónov) jednej látky medzi častice inej látky v dôsledku chaotického pohybu sa nazýva difúzia. Difúzia je teda výsledkom chaotického pohybu všetkých častíc látky, akéhokoľvek mechanického pôsobenia.

Keďže častice sa pohybujú v plynoch, kvapalinách a pevných látkach, v týchto látkach je možná difúzia. Difúzia je prenos hmoty spôsobený spontánnym vyrovnávaním nerovnomernej koncentrácie atómov alebo molekúl rôznych typov. Ak sa do nádoby zavedú časti rôznych plynov, po určitom čase sa všetky plyny rovnomerne premiešajú: počet molekúl každého typu na jednotku objemu nádoby sa stane konštantným, koncentrácia sa vyrovná (obr. 1)

Difúzia je vysvetlená nasledovne. Po prvé, rozhranie medzi dvoma médiami je jasne viditeľné medzi dvoma telesami (obr. 1a). Potom si vďaka svojmu pohybu jednotlivé častice látok nachádzajúce sa v blízkosti hranice vymieňajú miesta. Hranica medzi látkami sa stiera (obr. 1b). Po preniknutí medzi častice inej látky si častice prvej začnú vymieňať miesta s časticami druhej, ktoré sa nachádzajú v stále hlbších vrstvách. Rozhranie medzi látkami je ešte viac rozmazané. V dôsledku kontinuálneho a náhodného pohybu častíc tento proces v konečnom dôsledku vedie k tomu, že roztok v nádobe sa stáva homogénnym (obr. 1c).

Obr.1. Vysvetlenie fenoménu difúzie.

K difúzii veľkých častíc suspendovaných v plyne alebo kvapaline (napríklad častice dymu alebo suspenzie) dochádza v dôsledku ich Brownovho pohybu. V nasledujúcom texte, pokiaľ nie je výslovne uvedené inak, sa myslí molekulárna difúzia.

Difúzia hrá dôležitú úlohu v chemickej kinetike a technológii. Keď dôjde k chemickej reakcii na povrchu katalyzátora alebo jedného z reaktantov (napríklad spaľovanie uhlia), difúzia môže určovať rýchlosť dodávky iných reaktantov a odstraňovanie produktov reakcie, t. j. je určujúcim (obmedzujúcim) procesom. Pre odparovanie a kondenzáciu, rozpúšťanie kryštálov a kryštalizáciu je zvyčajne rozhodujúca difúzia. Na separáciu izotopov sa využíva proces difúzie plynov cez porézne prepážky alebo do prúdu pary. Difúzia je základom mnohých technologických procesov - adsorpcia, nauhličovanie atď. Difúzne zváranie a difúzna metalizácia sú široko používané.

V kvapalných roztokoch vedie difúzia molekúl rozpúšťadla cez polopriepustné priečky (membrány) k vzniku osmotického tlaku, ktorý sa používa pri fyzikálno-chemickej metóde oddeľovania látok.

1.2 Vzory difúzie

Rozdiel v koncentrácii je hnacou silou difúzie. Ak je koncentrácia všade rovnaká, nedochádza k difúznemu prenosu látky. Vyrovnanie koncentrácie v dôsledku difúzie nastáva iba v neprítomnosti vonkajších síl. Ak existuje koncentračný rozdiel spolu s teplotným rozdielom, v elektrickom poli alebo v podmienkach, kde je významná gravitácia (s veľkým rozdielom v nadmorskej výške), vyrovnávanie koncentrácie nie je potrebné. Príkladom je pokles hustoty vzduchu s výškou.

Obráťme sa na skúsenosti. V dvoch pohároch je voda, ale jeden je studený a druhý horúci. Súčasne vložte čajové vrecúška do pohárov. Je ľahké si všimnúť, že v horúcej vode čaj rýchlejšie zafarbí vodu a difúzia prebieha rýchlejšie. Rýchlosť difúzie sa zvyšuje so zvyšujúcou sa teplotou, pretože molekuly interagujúcich telies sa začínajú pohybovať rýchlejšie.

Difúzia prebieha najrýchlejšie v plynoch, pomalšie v kvapalinách a ešte pomalšie v pevných látkach, čo je spôsobené povahou tepelného pohybu častíc v týchto médiách. Dráha každej častice plynu je prerušovaná čiara, pretože Počas zrážok častice menia smer a rýchlosť svojho pohybu. Porucha pohybu vedie k tomu, že každá častica sa postupne vzďaľuje od miesta, kde bola, a jej posun po priamke je oveľa menší ako dráha prejdená po prerušovanej čiare. Preto je prienik difúzie oveľa pomalší ako voľný pohyb (rýchlosť šírenia pachov je napríklad oveľa menšia ako rýchlosť molekúl). V kvapalinách sa v súlade s povahou tepelného pohybu molekúl difúzia uskutočňuje skokmi molekúl z jednej dočasnej rovnovážnej polohy do druhej. Každý skok nastane, keď molekula dostane energiu dostatočnú na to, aby prerušila svoje väzby so susednými molekulami a presunula sa do prostredia iných molekúl (do novej energeticky výhodnej polohy). V priemere skok nepresahuje medzimolekulovú vzdialenosť. Difúzny pohyb častíc v kvapaline možno považovať za pohyb s trením. Koeficient difúzie v kvapaline sa zvyšuje s teplotou, čo je spôsobené „uvoľnením“ štruktúry kvapaliny pri zahrievaní a zodpovedajúcim zvýšením počtu skokov za jednotku času.

V pevnom tele môže fungovať viacero mechanizmov: výmena miest atómov s vakanciami (neobsadené miesta kryštálovej mriežky), pohyb atómov po medzerách, súčasný cyklický pohyb viacerých atómov, priama výmena miest dvoch susedných atómov atď. Prvý mechanizmus prevláda napríklad pri tvorbe substitučných tuhých roztokov, druhý - pri tvorbe intersticiálnych tuhých roztokov. Nárast počtu defektov (hlavne voľných miest) uľahčuje pohyb atómov v pevnom tele, difúziu a vedie k zvýšeniu koeficientu difúzie. Koeficient difúzie v tuhých látkach je charakterizovaný prudkou (exponenciálnou) závislosťou od teploty. Pri zvýšení teploty z 20 na 300 °C sa teda koeficient difúzie zinku do medi zvýši 1014-krát.

Všetky experimentálne metódy na stanovenie difúzneho koeficientu obsahujú dva hlavné body: uvedenie difúznych látok do kontaktu a analýzu zloženia látok, ktoré menia difúziu. Zloženie (koncentrácia difúznej látky) sa zisťuje chemicky, opticky (zmenami indexu lomu alebo absorpciou svetla), hmotnostnou spektroskopiou, metódou značených atómov a pod.

2.Využitie difúznych procesov

2.1 Difúzia pri spracovaní kovov

Difúzna metalizácia je proces difúzneho nasýtenia povrchu výrobkov kovmi alebo metaloidmi. Difúzna saturácia sa uskutočňuje v práškovej zmesi, plynnom prostredí alebo roztavenom kove (ak má kov nízku teplotu topenia).

Boridovanie - difúzne nasýtenie povrchu kovov a zliatin bórom na zvýšenie tvrdosti, odolnosti proti korózii a odolnosti proti opotrebovaniu sa vykonáva elektrolýzou v roztavenej soli bóru. Boridovanie poskytuje obzvlášť vysokú tvrdosť povrchu, odolnosť proti opotrebeniu a zvyšuje odolnosť proti korózii a tepelnú odolnosť. Borované ocele majú vysokú odolnosť proti korózii vo vodných roztokoch kyseliny chlorovodíkovej, sírovej a fosforečnej. Boridovanie sa používa pre liatinové a oceľové diely pracujúce v podmienkach trenia v agresívnom prostredí (v chemickom inžinierstve).

Hliníkovanie je proces difúzneho nasýtenia povrchovej vrstvy hliníkom, ktorý sa uskutočňuje v práškových zmesiach hliníka alebo v roztavenom hliníku. Cieľom je získať vysokú tepelnú odolnosť povrchu oceľových dielov. Hliníkovanie sa vykonáva v pevných a kvapalných médiách.

Silikónizácia – difúzna saturácia kremíkom sa uskutočňuje v plynnej atmosfére. Kremíkom nasýtená vrstva oceľovej časti nemá veľmi vysokú tvrdosť, ale vysokú odolnosť proti korózii a zvýšenú odolnosť proti opotrebovaniu v morskej vode, kyseline dusičnej, chlorovodíkovej a sírovej. Silikonizované diely sa používajú v chemickom, celulózovom, papierenskom a ropnom priemysle. Na zvýšenie tepelnej odolnosti sa silikónovanie používa pri výrobkoch vyrobených zo zliatin na báze molybdénu a volfrámu, ktoré majú vysokú tepelnú odolnosť.

Významnú úlohu zohrávajú difúzne procesy v kovoch. Ak sa dva kovy dostanú do tesného kontaktu lúčom fúzie alebo stlačením prášku jedného kovu na druhý a sú vystavené dostatočne vysokým teplotám, potom každý z dvoch kovov bude difundovať do druhého. Ak je jeden z kovov tekutý, potom súčasne difunduje do pevnej látky a rozpúšťa ju.

Ak vychádzame z čistých kovov, tak v medzivrstve vzniká celý rad fáz oboch kovov, zvyčajne oddelene od zmesi hraničných fáz. Rozdiel koncentrácie v jednotlivých vrstvách je veľmi rozdielny; rýchlosť difúzie je preto vysoko závislá od mriežkovej štruktúry. V prípade kontinuálnej série tuhých roztokov rýchlosť difúzie rovnako závisí od zloženia hmoty; Difúzia medi do niklu s vysokou teplotou topenia je teda oveľa pomalšia ako difúzia niklu do medi. Ostatné kovy difundujú do toho istého kovu, ako ukázali experimenty Héveza a Septa s olovom, väčšou rýchlosťou, čím ďalej sú vo svojich skupinách v periodickom systéme od seba (čím ďalej sú vo svojej valencii). Pomocou rádioaktívneho izotopu olova možno tiež zistiť, že homogénne atómy si vymieňajú miesta obzvlášť pomaly. Skutočnosť tejto autodifúzie jasne demonštruje pohyb atómov kovov pri vysokých teplotách, čo je tiež základom pre kryštalizáciu a rast kryštálov.