Diffuusio tapahtuu hiukkasten liikkeen takia. Satunnaisessa liikkeessä olevat hiukkaset, kuten kaasumolekyylit, törmäävät toisiinsa, seuraamalla Brownin liikettä, kunnes ne leviävät tasaisesti tietyllä alueella. Diffuusio on tällöin molekyylivirta korkean konsentraation alueelta matalan konsentraation alueelle, kunnes saavutetaan tasapaino. Lyhyesti sanottuna diffuusio kuvaa kaasun, nesteen tai kiinteän aineen leviämistä tietyssä tilassa tai toisen aineen läpi. Diffuusioesimerkkejä ovat hajusteiden aromi, joka leviää koko huoneeseen, tai pisara vihreää ruokaväriä, joka leviää kupilliseen vettä. Siellä on useita tapoja laskea diffuusionopeudet.
TL; DR (liian pitkä; Ei lukenut)
Muista, että termi "korko" viittaa määrän muutokseen ajan myötä.
Grahamin leviämislaissa
Skotlantilainen kemisti Thomas Graham (1805-1869) löysi 1800-luvun alussa kvantitatiivisen suhteen, jolla on nyt hänen nimensä. Grahamin lain mukaan kahden kaasumaisen aineen diffuusionopeus on kääntäen verrannollinen niiden moolimassojen neliöjuureen. Tämä suhde saavutettiin, koska kaikilla samasta lämpötilasta löydetyillä kaasuilla on sama keskimääräinen kineettinen energia, kuten kaasujen kineettisessä teoriassa ymmärretään. Toisin sanoen, Grahamin laki on suora seuraus siitä, että kaasumolekyyleillä on sama keskimääräinen kineettinen energia, kun ne ovat samassa lämpötilassa. Grahamin lain mukaan diffuusio kuvaa kaasujen sekoittumista, ja diffuusionopeus on sekoittumisnopeus. Huomaa, että Grahamin diffuusiolakia kutsutaan myös Grahamin effuusiolakiksi, koska effuusio on diffuusion erityistapaus. Efuusio on ilmiö, kun kaasumaiset molekyylit pakenevat pienen reiän läpi tyhjiöön, tyhjennettyyn tilaan tai kammioon. Efuusionopeus mittaa nopeutta, jolla kaasu siirtyy kyseiseen tyhjöön, tyhjennettyyn tilaan tai kammioon. Joten yksi tapa laskea diffuusionopeus tai effuusiomäärä sanatehtävässä on tehdä laskelmia sen perusteella Grahamin laki, joka ilmaisee suhdetta kaasumoolimassojen ja niiden diffuusion tai effuusion välillä hinnat.
Fickin diffuusion lait
1800-luvun puolivälissä saksalaissyntyinen lääkäri ja fysiologi Adolf Fick (1829-1901) muotoili joukon lakeja, jotka säätelivät nestekalvon läpi diffundoituvan kaasun käyttäytymistä. Fickin ensimmäinen diffuusiolaki toteaa, että virtaus tai hiukkasten nettoliike tietyllä alueella tietyllä ajanjaksolla on suoraan verrannollinen kaltevuuden jyrkkyyteen. Fickin ensimmäinen laki voidaan kirjoittaa seuraavasti:
virtaus = -D (dC ÷ dx)
missä (D) viittaa diffuusiokertoimeen ja (dC / dx) on gradientti (ja on johdannainen laskennassa). Joten Fickin ensimmäisessä laissa sanotaan pohjimmiltaan, että satunnainen hiukkasten liike Brownin liikkeestä johtaa hiukkaset alueilta, joilla on korkea pitoisuus pieniin pitoisuuksiin - ja että ajautumisnopeus tai diffuusionopeus on verrannollinen tiheysgradientti, mutta vastakkaiseen suuntaan kuin tämä gradientti (joka vastaa negatiivista merkkiä diffuusion edessä vakio). Vaikka Fickin ensimmäinen diffuusiolaki kuvaa kuinka paljon virtausta on, se on itse asiassa Fickin toinen laki Diffuusio, joka kuvaa edelleen diffuusionopeutta, ja se tapahtuu osittaisen eron muodossa yhtälö. Fickin toista lakia kuvataan kaavalla:
T = (1 ÷ [2D]) x2
mikä tarkoittaa, että diffundoitumisaika kasvaa etäisyyden neliön x kanssa. Pohjimmiltaan Fickin ensimmäinen ja toinen diffuusiolaki tarjoavat tietoa siitä, kuinka pitoisuusgradientit vaikuttavat diffuusionopeuksiin. Mielenkiintoista on, että Washingtonin yliopisto suunnitteli muistomuodoksi muistin, joka auttaa muistamaan kuinka Fickin yhtälöt auttavat diffuusionopeuden laskemisessa: "Fick sanoo kuinka nopeasti molekyyli tulee hajanainen. Delta P kertaa A kertaa k yli D on laki käyttää…. Paine-ero, pinta-ala ja vakio k kerrotaan yhdessä. Ne on jaettu diffuusioesteen avulla diffuusion tarkan nopeuden määrittämiseksi. "
Muita mielenkiintoisia tietoja diffuusioasteista
Diffuusio voi tapahtua kiinteissä aineissa, nesteissä tai kaasuissa. Tietenkin diffuusio tapahtuu nopeimmin kaasuissa ja hitaimmin kiinteissä aineissa. Myös diffuusioasteisiin voivat vaikuttaa useat tekijät. Esimerkiksi lämpötilan nousu nopeuttaa diffuusionopeuksia. Samoin diffundoituva partikkeli ja materiaali, johon se diffundoituu, voivat vaikuttaa diffuusionopeuksiin. Huomaa esimerkiksi, että polaariset molekyylit diffundoituvat nopeammin polaarisissa väliaineissa, kuten vedessä, kun taas ei-polaariset molekyylit ovat sekoittumattomia ja täten niiden on vaikea diffundoitua vedessä. Materiaalin tiheys on jälleen yksi diffuusionopeuksiin vaikuttava tekijä. Ymmärrettävästi raskaammat kaasut diffundoituvat paljon hitaammin verrattuna kevyempiin vastaaviin. Lisäksi vuorovaikutusalueen koko voi vaikuttaa diffuusionopeuksiin, mistä on osoituksena kotiruokien aromi, joka leviää pienen alueen läpi nopeammin kuin suuremmalla alueella.
Lisäksi, jos diffuusio tapahtuu pitoisuusgradienttia vastaan, on oltava jonkinlainen energian muoto, joka helpottaa diffuusiota. Harkitse, miten vesi, hiilidioksidi ja happi voivat helposti ylittää solukalvot passiivisen diffuusion (tai osmoosin tapauksessa veden tapauksessa). Mutta jos suuren, ei-lipidiliukoisen molekyylin on kuljettava solukalvon läpi, tarvitaan aktiivista kuljetusta, joka on jossa suurenerginen adenosiinitrifosfaatin (ATP) molekyyli astuu sisään diffuusion helpottamiseksi solukalvojen välillä.