Как да се изчисли скоростта на дифузия

Дифузията се осъществява поради движението на частиците. Частиците в произволно движение, като молекули газ, се блъскат една в друга, следвайки броуновско движение, докато се разпръснат равномерно в дадена област. Тогава дифузията е потокът на молекулите от област с висока концентрация до тази с ниска концентрация, докато се постигне равновесие. Накратко, дифузията описва газ, течност или твърдо вещество, диспергиращи се в определено пространство или във второ вещество. Примерите за дифузия включват аромат на парфюм, разпространяващ се в цяла стая, или капка зелен оцветител, разпръскващ се в чаша вода. Има редица начини за изчисляване на скоростите на дифузия.

TL; DR (твърде дълго; Не прочетох)

Не забравяйте, че терминът "ставка" се отнася до промяната в количеството във времето.

В началото на 19 век шотландският химик Томас Греъм (1805-1869) открива количествената връзка, която сега носи неговото име. Законът на Греъм гласи, че скоростта на дифузия на две газообразни вещества е обратно пропорционална на квадратния корен от техните моларни маси. До тази връзка се стигна, като се има предвид, че всички газове, открити при една и съща температура, показват еднаква средна кинетична енергия, както се разбира в Кинетичната теория на газовете. С други думи, законът на Греъм е пряко следствие от това, че газообразните молекули имат еднаква средна кинетична енергия, когато са с еднаква температура. За закона на Греъм дифузията описва смесването на газове и скоростта на дифузия е скоростта на това смесване. Обърнете внимание, че Законът на Дифузия на Греъм се нарича още Законът на Греъм за излива, тъй като изливът е специален случай на дифузия. Изливът е явлението, когато газообразни молекули излизат през малка дупка във вакуум, евакуирано пространство или камера. Скоростта на изтичане измерва скоростта, с която този газ се прехвърля в този вакуум, евакуирано пространство или камера. Така че един от начините за изчисляване на скоростта на дифузия или скоростта на излив в проблем с думи е да се правят изчисления въз основа Законът на Греъм, който изразява връзката между моларните маси от газове и тяхната дифузия или излив ставки.

В средата на 19 век, роденият в Германия лекар и физиолог Адолф Фик (1829-1901) формулира набор от закони, регулиращи поведението на газ, дифузиращ през течна мембрана. Първият закон на дифузията на Fick казва, че потокът или нетното движение на частици в определена зона в рамките на определен период от време е право пропорционален на стръмността на градиента. Първият закон на Fick’s може да бъде написан като:

поток = -D (dC ÷ dx)

където (D) се отнася до коефициента на дифузия и (dC / dx) е градиентът (и е производно в смятане). Така че Първият закон на Фик основно казва, че произволното движение на частиците от движението на Браун води до отклонение или разпръскване на частици от области с висока концентрация до ниски концентрации - и тази скорост на отклонение или скорост на дифузия е пропорционална на градиент на плътността, но в посока, обратна на този градиент (който отчита отрицателния знак пред дифузията постоянен). Докато Първият закон на дифузията на Фик описва колко поток има, всъщност това е вторият закон на Фик от Дифузия, която допълнително описва скоростта на дифузия и е под формата на частичен диференциал уравнение. Вторият закон на Фик е описан по формулата:

Т = (1 ÷ [2D]) x²

което означава, че времето за дифузия се увеличава с квадрата на разстоянието, x. По същество, Първият и Вторият закон на дифузията на Fick предоставят информация за това как градиентите на концентрацията влияят върху скоростта на дифузия. Интересното е, че Университетът във Вашингтон създаде дрехата като мнемоника, за да помогне да се запомни как уравненията на Фик помагат при изчисляването на скоростта на дифузия: „Фик казва колко бързо ще бъде молекулата дифузен. Delta P по A по k по D е законът да се използва... Разликата в налягането, повърхността и константата k се умножават заедно. Те са разделени по дифузионна бариера, за да се определи точната скорост на дифузия. "

Дифузията може да възникне в твърди вещества, течности или газове. Разбира се, дифузията се осъществява най-бързо в газовете и най-бавно в твърдите вещества. Скоростите на дифузия също могат да бъдат повлияни от няколко фактора. Повишената температура например ускорява скоростите на дифузия. По същия начин частицата, която се дифузира и материалът, в който се дифузира, може да повлияе на скоростта на дифузия. Забележете например, че полярните молекули дифузират по-бързо в полярни среди, като вода, докато неполярните молекули са несмесими и по този начин трудно дифундират във вода. Плътността на материала е още един фактор, влияещ върху скоростта на дифузия. Разбираемо е, че по-тежките газове се разпространяват далеч по-бавно в сравнение с по-леките си колеги. Освен това размерът на зоната на взаимодействие може да повлияе на степента на дифузия, което се доказва от аромата на домашното готвене, разпръскващо се в малка площ по-бързо, отколкото в по-голяма зона.

Също така, ако дифузията се извършва спрямо градиент на концентрация, трябва да има някаква форма на енергия, която улеснява дифузията. Помислете как водата, въглеродният диоксид и кислородът могат лесно да преминат през клетъчните мембрани чрез пасивна дифузия (или осмоза, в случай на вода). Но ако голяма, нелипидна разтворима молекула трябва да премине през клетъчната мембрана, тогава е необходим активен транспорт, който е където високоенергийната молекула на аденозин трифосфат (АТФ) се намесва, за да улесни дифузията през клетъчните мембрани.