يحدث الانتشار بسبب حركة الجسيمات. الجسيمات في حركة عشوائية ، مثل جزيئات الغاز ، تصطدم ببعضها البعض ، بعد الحركة البراونية ، حتى تتشتت بالتساوي في منطقة معينة. الانتشار إذن هو تدفق الجزيئات من منطقة عالية التركيز إلى منطقة ذات تركيز منخفض ، حتى يتم الوصول إلى التوازن. باختصار ، يصف الانتشار غازًا أو سائلًا أو صلبًا مشتتًا في مساحة معينة أو في جميع أنحاء مادة ثانية. تشمل أمثلة الانتشار رائحة عطر تنتشر في جميع أنحاء الغرفة ، أو قطرة من ملوّن طعام أخضر منتشر في جميع أنحاء كوب من الماء. هناك عدد من الطرق لحساب معدلات الانتشار.
TL ؛ DR (طويل جدًا ؛ لم أقرأ)
تذكر أن مصطلح "معدل" يشير إلى التغيير في الكمية بمرور الوقت.
قانون الانتشار جراهام
في أوائل القرن التاسع عشر ، اكتشف الكيميائي الاسكتلندي توماس جراهام (1805-1869) العلاقة الكمية التي تحمل اسمه الآن. ينص قانون جراهام على أن معدل انتشار مادتين غازيتين يتناسب عكسيًا مع الجذر التربيعي لكتلتهما المولية. تم التوصل إلى هذه العلاقة ، بالنظر إلى أن جميع الغازات الموجودة في نفس درجة الحرارة تظهر نفس متوسط الطاقة الحركية ، كما هو مفهوم في النظرية الحركية للغازات. بعبارة أخرى ، قانون جراهام هو نتيجة مباشرة للجزيئات الغازية التي تمتلك نفس متوسط الطاقة الحركية عندما تكون في نفس درجة الحرارة. بالنسبة لقانون جراهام ، يصف الانتشار عملية خلط الغازات ، ومعدل الانتشار هو معدل هذا الخلط. لاحظ أن قانون جراهام للانتشار يسمى أيضًا قانون جراهام للانصباب ، لأن الانصباب هو حالة خاصة من حالات الانتشار. الانصباب هو الظاهرة التي تحدث عندما تهرب الجزيئات الغازية من خلال ثقب صغير إلى الفراغ أو الفضاء أو الغرفة المفرغة. يقيس معدل الانصباب السرعة التي يتم بها نقل هذا الغاز إلى هذا الفراغ أو الفضاء أو الحجرة المفرغة. لذا فإن إحدى طرق حساب معدل الانتشار أو معدل الانصباب في مشكلة الكلمات هي إجراء حسابات تستند إلى قانون جراهام ، الذي يعبر عن العلاقة بين الكتل المولية للغازات وانتشارها أو انصبابها معدلات.
قوانين فيك للانتشار
في منتصف القرن التاسع عشر ، صاغ الطبيب وعالم وظائف الأعضاء الألماني المولد أدولف فيك (1829-1901) مجموعة من القوانين التي تحكم سلوك الغاز المنتشر عبر غشاء سائل. ينص قانون Fick الأول للانتشار على أن التدفق ، أو الحركة الصافية للجسيمات في منطقة معينة خلال فترة زمنية محددة ، يتناسب طرديًا مع انحدار التدرج. يمكن كتابة قانون فيك الأول على النحو التالي:
التدفق = -D (dC ÷ dx)
حيث يشير (D) إلى معامل الانتشار و (dC / dx) هو التدرج اللوني (وهو مشتق في حساب التفاضل والتكامل). لذلك ينص قانون Fick الأول بشكل أساسي على أن حركة الجسيمات العشوائية من الحركة البراونية تؤدي إلى انحراف أو تشتت جزيئات من مناطق عالية التركيز إلى تركيزات منخفضة - ومعدل الانجراف ، أو معدل الانتشار ، يتناسب مع التدرج اللوني للكثافة ، ولكن في الاتجاه المعاكس لذلك التدرج (الذي يمثل العلامة السلبية أمام الانتشار ثابت). بينما يصف قانون Fick الأول للانتشار مقدار التدفق الموجود ، فهو في الواقع قانون Fick الثاني لـ الانتشار الذي يصف كذلك معدل الانتشار ، ويأخذ شكل تفاضل جزئي معادلة. يتم وصف قانون فيك الثاني بالصيغة:
T = (1 ÷ [2D]) x2
مما يعني أن وقت التشتت يزداد مع مربع المسافة ، س. بشكل أساسي ، يوفر قانونا Fick الأول والثاني للانتشار معلومات حول كيفية تأثير تدرجات التركيز على معدلات الانتشار. ومن المثير للاهتمام ، أن جامعة واشنطن قد ابتكرت طريقة للتذكر للمساعدة في التذكر كيف تساعد معادلات فيك في حساب معدل الانتشار: "يقول فيك مدى سرعة الجزيء منتشر. Delta P مرات A في k على D هو القانون الذي يجب استخدامه…. يتم ضرب فرق الضغط ومساحة السطح والثابت k معًا. يتم تقسيمها بواسطة حاجز الانتشار لتحديد المعدل الدقيق للانتشار ".
حقائق أخرى مثيرة للاهتمام حول معدلات الانتشار
يمكن أن يحدث الانتشار في المواد الصلبة أو السائلة أو الغازات. بالطبع ، يحدث الانتشار أسرع في الغازات وأبطأ في المواد الصلبة. يمكن أن تتأثر معدلات الانتشار أيضًا بعدة عوامل. زيادة درجة الحرارة ، على سبيل المثال ، تسرع معدلات الانتشار. وبالمثل ، يمكن أن يؤثر الجسيم الذي يتم نشره والمواد التي ينتشر فيها على معدلات الانتشار. لاحظ ، على سبيل المثال ، أن الجزيئات القطبية تنتشر بشكل أسرع في الوسط القطبي ، مثل الماء ، في حين أن الجزيئات غير القطبية غير قابلة للامتزاج ، وبالتالي تواجه صعوبة في الانتشار في الماء. كثافة المادة عامل آخر يؤثر على معدلات الانتشار. من المفهوم أن الغازات الأثقل تنتشر بشكل أبطأ بكثير مقارنة بنظيراتها الأخف وزناً. علاوة على ذلك ، يمكن أن يؤثر حجم منطقة التفاعل على معدلات الانتشار ، كما يتضح من رائحة الطهي المنزلي المنتشر عبر مساحة صغيرة بشكل أسرع مما يحدث في منطقة أكبر.
أيضًا ، إذا حدث الانتشار مقابل تدرج تركيز ، فيجب أن يكون هناك شكل من أشكال الطاقة يسهل الانتشار. ضع في اعتبارك كيف يمكن للماء وثاني أكسيد الكربون والأكسجين عبور أغشية الخلايا بسهولة عن طريق الانتشار السلبي (أو التناضح ، في حالة الماء). ولكن إذا كان يتعين على جزيء كبير غير قابل للذوبان غير دهني أن يمر عبر غشاء الخلية ، فإن النقل النشط مطلوب ، وهو حيث يتدخل الجزيء عالي الطاقة من ثلاثي فوسفات الأدينوزين (ATP) لتسهيل الانتشار عبر الأغشية الخلوية.