La diffusion a lieu à cause du mouvement des particules. Les particules en mouvement aléatoire, comme les molécules de gaz, se heurtent les unes aux autres, suivant le mouvement brownien, jusqu'à ce qu'elles se dispersent uniformément dans une zone donnée. La diffusion est alors le flux de molécules d'une zone de forte concentration à celle de faible concentration, jusqu'à ce que l'équilibre soit atteint. En bref, la diffusion décrit un gaz, un liquide ou un solide se dispersant dans un espace particulier ou dans une seconde substance. Les exemples de diffusion incluent un arôme de parfum se répandant dans une pièce ou une goutte de colorant alimentaire vert se dispersant dans une tasse d'eau. Il existe plusieurs façons de calculer les taux de diffusion.
TL; DR (trop long; n'a pas lu)
N'oubliez pas que le terme « taux » fait référence à l'évolution d'une quantité dans le temps.
La loi de diffusion de Graham
Au début du XIXe siècle, le chimiste écossais Thomas Graham (1805-1869) découvrit la relation quantitative qui porte aujourd'hui son nom. La loi de Graham stipule que le taux de diffusion de deux substances gazeuses est inversement proportionnel à la racine carrée de leurs masses molaires. Cette relation a été établie, étant donné que tous les gaz trouvés à la même température présentent la même énergie cinétique moyenne, telle qu'elle est comprise dans la théorie cinétique des gaz. En d'autres termes, la loi de Graham est une conséquence directe du fait que les molécules gazeuses ont la même énergie cinétique moyenne lorsqu'elles sont à la même température. Pour la loi de Graham, la diffusion décrit le mélange des gaz et le taux de diffusion est le taux de ce mélange. Notez que la loi de diffusion de Graham est également appelée loi d'effusion de Graham, car l'effusion est un cas particulier de diffusion. L'épanchement est le phénomène lorsque des molécules gazeuses s'échappent à travers un petit trou dans un vide, un espace ou une chambre sous vide. Le taux d'effusion mesure la vitesse à laquelle ce gaz est transféré dans ce vide, cet espace évacué ou cette chambre. Ainsi, une façon de calculer le taux de diffusion ou le taux d'effusion dans un problème de mots est de faire des calculs basés sur La loi de Graham, qui exprime la relation entre les masses molaires des gaz et leur diffusion ou épanchement les taux.
Les lois de diffusion de Fick
Au milieu du XIXe siècle, le médecin et physiologiste d'origine allemande Adolf Fick (1829-1901) a formulé un ensemble de lois régissant le comportement d'un gaz diffusant à travers une membrane fluide. La première loi de diffusion de Fick stipule que le flux, ou le mouvement net des particules dans une zone spécifique au cours d'une période de temps spécifique, est directement proportionnel à la pente du gradient. La première loi de Fick peut s'écrire :
flux = -D(dC dx)
où (D) fait référence au coefficient de diffusion et (dC/dx) est le gradient (et est une dérivée en calcul). Ainsi, la première loi de Fick stipule fondamentalement que le mouvement aléatoire des particules à partir du mouvement brownien conduit à la dérive ou à la dispersion de particules des régions de concentration élevée à faible concentration - et ce taux de dérive, ou taux de diffusion, est proportionnel à la gradient de densité, mais dans la direction opposée à ce gradient (ce qui explique le signe négatif devant la diffusion constant). Alors que la première loi de diffusion de Fick décrit la quantité de flux, il s'agit en fait de la deuxième loi de Fick. Diffusion qui décrit davantage le taux de diffusion, et il prend la forme d'un différentiel partiel équation. La deuxième loi de Fick est décrite par la formule :
T = (1 ÷ [2D])x2
ce qui signifie que le temps de diffusion augmente avec le carré de la distance, x. Essentiellement, les première et deuxième lois de diffusion de Fick fournissent des informations sur la façon dont les gradients de concentration affectent les taux de diffusion. Chose intéressante, l'Université de Washington a conçu une chansonnette comme mnémonique pour aider à se souvenir comment les équations de Fick aident à calculer le taux de diffusion: « Fick dit à quelle vitesse une molécule va diffuser. Delta P fois A fois k sur D est la loi à utiliser…. La différence de pression, la surface et la constante k sont multipliées ensemble. Ils sont divisés par barrière de diffusion pour déterminer le taux exact de diffusion.
Autres faits intéressants sur les taux de diffusion
La diffusion peut se produire dans les solides, les liquides ou les gaz. Bien entendu, la diffusion a lieu plus rapidement dans les gaz et plus lentement dans les solides. Les taux de diffusion peuvent également être affectés par plusieurs facteurs. L'augmentation de la température, par exemple, accélère les taux de diffusion. De même, la particule diffusée et le matériau dans lequel elle diffuse peuvent influencer les taux de diffusion. Notez, par exemple, que les molécules polaires diffusent plus rapidement dans les milieux polaires, comme l'eau, alors que les molécules non polaires sont immiscibles et ont donc du mal à se diffuser dans l'eau. La densité du matériau est encore un autre facteur affectant les taux de diffusion. Naturellement, les gaz plus lourds diffusent beaucoup plus lentement que leurs homologues plus légers. De plus, la taille de la zone d'interaction peut avoir un impact sur les taux de diffusion, comme en témoigne l'arôme de la cuisine maison se dispersant plus rapidement dans une petite zone qu'il ne le ferait dans une zone plus grande.
De plus, si la diffusion a lieu contre un gradient de concentration, il doit y avoir une certaine forme d'énergie qui facilite la diffusion. Considérez comment l'eau, le dioxyde de carbone et l'oxygène peuvent facilement traverser les membranes cellulaires par diffusion passive (ou osmose, dans le cas de l'eau). Mais si une grosse molécule soluble non lipidique doit traverser la membrane cellulaire, alors un transport actif est nécessaire, ce qui est où la molécule à haute énergie de l'adénosine triphosphate (ATP) intervient pour faciliter la diffusion à travers les membranes cellulaires.