Blandt de mange fænomener i fysik er diffusionsprocessen en af de enkleste og mest forståelige. Når alt kommer til alt, hver morgen, forbereder sig duftende te eller kaffe, har en person mulighed for at observere denne reaktion i praksis. Lad os lære mere om denne proces og betingelserne for dens forekomst i forskellige aggregerede tilstande.
Hvad er diffusion
Dette ord henviser til penetration af molekyler eller atomer af et stof mellem lignende strukturelle enheder af et andet. I dette tilfælde udjævnes koncentrationen af penetrerende forbindelser.
Denne proces blev først beskrevet i detaljer af den tyske videnskabsmand Adolf Fick i 1855
Navnet på dette udtryk blev dannet af det latinske verbale substantiv diffusio (interaktion, spredning, distribution).
Diffusion i en væske
Den undersøgte proces kan forekomme med stoffer i alle tre aggregeringstilstande: gasformig, flydende og fast. For praktiske eksempler på dette, se bare påkøkken.
Komfurkogt borsjtj er en af dem. Under påvirkning af temperatur reagerer molekylerne af glucosin betanin (et stof, på grund af hvilket roerne har en så rig skarlagensfarve) jævnt med vandmolekyler, hvilket giver det en unik bordeaux farve. Dette tilfælde er et eksempel på diffusion i væsker.
Ud over borscht kan denne proces også ses i et glas te eller kaffe. Begge disse drikkevarer har sådan en ensartet rig nuance på grund af det faktum, at teblade eller kaffepartikler, der opløses i vand, fordeles jævnt mellem dets molekyler og farver det. Handlingen af alle populære instant drinks fra halvfemserne er bygget på samme princip: Yupi, Invite, Zuko.
Interpenetration af gasser
Hvis du fortsætter med at lede efter manifestationer af den pågældende proces i køkkenet, er det værd at snuse og nyde den behagelige duft, der kommer fra en buket friske blomster på spisebordet. Hvorfor sker det?
Lugtebærende atomer og molekyler er i aktiv bevægelse og er som et resultat blandet med partikler, der allerede er i luften, og er nogenlunde jævnt spredt i rummets rumfang.
Dette er en manifestation af diffusion i gasser. Det er værd at bemærke, at selve indåndingen af luft også hører til den undersøgte proces, såvel som den appetitlige lugt af friskkogt borscht i køkkenet.
Diffusion i faste stoffer
Køkkenbordet med blomster er dækket af en lys gul dug. Hun modtog en lignende nuance takket værediffusions evne til at passere gennem faste stoffer.
Processen med at give lærredet en ensartet nuance foregår i flere trin som følger.
- Partikler af gult pigment diffunderede i blækbeholderen mod det fibrøse materiale.
- De blev derefter absorberet af den ydre overflade af det farvede stof.
- Næste skridt var igen at sprede farvestoffet, men denne gang ind i nettets fibre.
- I finalen fikserede stoffet pigmentpartiklerne og blev dermed farvet.
Diffusion af gasser i metaller
Som regel, når vi taler om denne proces, skal du overveje interaktionen mellem stoffer i samme aggregeringstilstand. For eksempel diffusion i faste stoffer, faste stoffer. For at bevise dette fænomen udføres et eksperiment med to metalplader presset mod hinanden (guld og bly). Interpenetrationen af deres molekyler tager ret lang tid (en millimeter på fem år). Denne proces bruges til at fremstille usædvanlige smykker.
Forbindelser i forskellige aggregerede tilstande er imidlertid også i stand til at diffundere. For eksempel er der diffusion af gasser i faste stoffer.
Under eksperimenterne blev det bevist, at en sådan proces finder sted i atomart tilstand. For at aktivere den skal du som regel have en betydelig stigning i temperatur og tryk.
Et eksempel på sådan gasdiffusion i faste stoffer er brintkorrosion. Det viser sig i situationer, hvorHydrogenatomer (Н2), der er opstået i løbet af en kemisk reaktion under påvirkning af høje temperaturer (fra 200 til 650 grader Celsius), trænger ind mellem metallets strukturelle partikler.
Udover brint kan diffusion af oxygen og andre gasser også forekomme i faste stoffer. Denne proces, der er umærkelig for øjet, gør meget skade, fordi metalstrukturer kan kollapse på grund af den.
Diffusion af væsker i metaller
Men ikke kun gasmolekyler kan trænge ind i faste stoffer, men også væsker. Som i tilfældet med brint, fører denne proces oftest til korrosion (når det kommer til metaller).
Et klassisk eksempel på væskediffusion i faste stoffer er korrosion af metaller under påvirkning af vand (H2O) eller elektrolytopløsninger. For de fleste er denne proces mere kendt under navnet rust. I modsætning til brintkorrosion skal den i praksis opleves meget oftere.
Betingelser for at accelerere diffusion. Diffusionskoefficient
Efter at have beskæftiget sig med de stoffer, hvori den pågældende proces kan forekomme, er det værd at lære om betingelserne for dens forekomst.
For det første afhænger diffusionshastigheden af den aggregerede tilstand af de interagerende stoffer. Jo større densiteten af det materiale, hvori reaktionen finder sted, jo langsommere er dens hastighed.
I denne forbindelse vil diffusion i væsker og gasser altid være mere aktiv end i faste stoffer.
For eksempel, hvis krystallernekaliumpermanganat KMnO4 (kaliumpermanganat) kast i vand, de vil give det en smuk hindbærfarve på få minutter Farve. Men hvis du drysser krystaller af KMnO4 på et stykke is og lægger det hele i fryseren, vil kaliumpermanganat efter et par timer ikke være i stand til at farve den frosne H 2O.
Fra det foregående eksempel kan der drages en konklusion mere om diffusionsbetingelserne. Ud over aggregeringstilstanden påvirker temperaturen også hastigheden for indtrængning af partikler.
For at overveje afhængigheden af den behandlede proces af den, er det værd at lære om et sådant koncept som diffusionskoefficienten. Dette er navnet på den kvantitative karakteristik af dens hastighed.
I de fleste formler er det angivet med et stort latinsk bogstav D, og i SI-systemet måles det i kvadratmeter pr. sekund (m²/s), nogle gange i centimeter pr. sekund (cm2 /m).
Diffusionskoefficienten er lig med mængden af stof spredt gennem en enhedsoverflade over en tidsenhed, forudsat at tæthedsforskellen på begge overflader (placeret i en afstand lig med en enhedslængde) er lig med én. Kriterierne, der bestemmer D, er egenskaberne af det stof, hvori selve partikelspredningsprocessen finder sted, og deres type.
Koefficientens afhængighed af temperaturen kan beskrives ved hjælp af Arrhenius-ligningen: D=D0exp(-E/TR).
I den betragtede formel er E den mindste energi, der kræves for at aktivere processen; T - temperatur (målt i Kelvin, ikke Celsius); R-gaskonstant karakteristisk for en ideel gas.
Ud over alt det ovenstående påvirkes diffusionshastigheden i faste stoffer, væsker i gasser af tryk og stråling (induktiv eller højfrekvent). Derudover afhænger meget af tilstedeværelsen af et katalytisk stof, ofte fungerer det som en trigger for starten af aktiv spredning af partikler.
Diffusionsligning
Dette fænomen er en særlig form for den partielle differentialligning.
Dens mål er at finde afhængigheden af koncentrationen af et stof af størrelsen og koordinaterne af rummet (hvori det diffunderer) såvel som tiden. I dette tilfælde karakteriserer den givne koefficient permeabiliteten af mediet for reaktionen.
Oftest skrives diffusionsligningen som følger: ∂φ (r, t)/∂t=∇ x [D(φ, r) ∇ φ (r, t)].
I den er φ (t og r) tætheden af spredningsstoffet i punktet r på tidspunktet t. D (φ, r) - generaliseret diffusionskoefficient ved tæthed φ ved punktet r.
∇ - vektordifferentialoperator, hvis komponenter er partielle afledte i koordinater.
Når diffusionskoefficienten er tæthedsafhængig, er ligningen ikke-lineær. Når ikke - lineær.
Efter at have overvejet definitionen af diffusion og funktionerne i denne proces i forskellige miljøer, kan det bemærkes, at den har både positive og negative sider.
