Kako izračunati brzinu difuzije

Difuzija se odvija zbog gibanja čestica. Čestice u slučajnom kretanju, poput molekula plina, nalijeću jedna na drugu, slijedeći Brownovo gibanje, sve dok se ravnomjerno ne rasprše u određenom području. Difuzija je tada protok molekula iz područja visoke koncentracije u područje niske koncentracije, sve dok se ne postigne ravnoteža. Ukratko, difuzija opisuje raspršivanje plina, tekućine ili krute tvari u određenom prostoru ili u drugoj supstanci. Primjeri difuzije uključuju aromu parfema koja se širi po sobi ili kap zelene boje za hranu koja se raspršuje u šalici vode. Postoji nekoliko načina za izračunavanje brzina difuzije.

TL; DR (predugo; Nisam pročitao)

Imajte na umu da se pojam "stopa" odnosi na promjenu količine tijekom vremena.

Početkom 19. stoljeća škotski kemičar Thomas Graham (1805.-1869.) Otkrio je kvantitativni odnos koji sada nosi njegovo ime. Grahamov zakon kaže da je brzina difuzije dviju plinovitih tvari obrnuto proporcionalna kvadratnom korijenu njihovih molarnih masa. Do ovog odnosa došlo se s obzirom na to da svi plinovi pronađeni na istoj temperaturi pokazuju istu prosječnu kinetičku energiju, kako se razumije u Kinetičkoj teoriji plinova. Drugim riječima, Grahamov zakon izravna je posljedica da plinovite molekule imaju istu prosječnu kinetičku energiju kad su na istoj temperaturi. Za Grahamov zakon difuzija opisuje miješanje plinova, a brzina difuzije je brzina tog miješanja. Imajte na umu da se Grahamov zakon difuzije naziva i Grahamov zakon izljeva, jer je izljev poseban slučaj difuzije. Izljev je pojava kada plinovite molekule pobjegnu kroz sićušnu rupu u vakuum, evakuirani prostor ili komoru. Brzina izljeva mjeri brzinu kojom se taj plin prenosi u taj vakuum, evakuirani prostor ili komoru. Dakle, jedan od načina izračunavanja brzine difuzije ili brzine izljeva u problemu riječi je izračun na temelju Grahamov zakon koji izražava odnos između molarnih masa plinova i njihove difuzije ili izljeva stope.

Sredinom 19. stoljeća njemački liječnik i fiziolog Adolf Fick (1829. - 1901.) formulirao je niz zakona koji reguliraju ponašanje plina koji se difuzira kroz membranu tekućine. Fickov prvi zakon difuzije kaže da je tok ili neto kretanje čestica na određenom području u određenom vremenskom razdoblju izravno proporcionalan strmini gradijenta. Fickov prvi zakon može se zapisati kao:

tok = -D (dC ÷ dx)

pri čemu se (D) odnosi na koeficijent difuzije, a (dC / dx) je gradijent (i derivat je u računu). Dakle, Fickov prvi zakon u osnovi kaže da slučajno kretanje čestica iz Brownova kretanja dovodi do zanošenja ili raspršivanja čestice iz područja visoke koncentracije do niske koncentracije - a ta brzina zanošenja ili brzina difuzije proporcionalna je gradijent gustoće, ali u smjeru suprotnom od tog gradijenta (koji predstavlja negativni predznak ispred difuzije konstantno). Iako Fikov prvi zakon difuzije opisuje koliki je tok, zapravo je Fikov drugi zakon Difuzija koja nadalje opisuje brzinu difuzije i ona ima oblik parcijalne razlike jednadžba. Fikov drugi zakon opisan je formulom:

T = (1 ÷ [2D]) x²

što znači da se vrijeme difuzije povećava s kvadratom udaljenosti, x. U osnovi, Fickov prvi i drugi zakon o difuziji pružaju informacije o tome kako gradijenti koncentracije utječu na stope difuzije. Zanimljivo je da je Sveučilište u Washingtonu stvorilo sitnicu kao mnemotehniku ​​kako bi se sjećalo kako Fickove jednadžbe pomažu u izračunavanju brzine difuzije: „Fick kaže koliko će brza molekula difuzno. Delta P puta A puta k nad D zakon je koji se koristi... Razlika tlaka, površina i konstanta k množe se zajedno. Podijeljeni su difuzijskom barijerom kako bi se utvrdila točna brzina difuzije. "

Difuzija se može pojaviti u krutim tvarima, tekućinama ili plinovima. Naravno, difuzija se odvija najbrže u plinovima, a najsporije u krutim tvarima. Na stope difuzije također može utjecati nekoliko čimbenika. Na primjer, povećana temperatura ubrzava stope difuzije. Slično tome, čestica koja se difundira i materijal u koji difuzira mogu utjecati na brzine difuzije. Primijetite, na primjer, da se polarne molekule brže difundiraju u polarnim medijima, poput vode, dok se nepolarne molekule ne miješaju i zbog toga teško difundiraju u vodi. Gustoća materijala je još jedan faktor koji utječe na stope difuzije. Razumljivo je da teži plinovi dišu znatno sporije u usporedbi s lakšim kolegama. Štoviše, veličina područja interakcije može utjecati na stope difuzije, što dokazuje aroma domaće kuhinje koja se raspršuje kroz malo područje brže nego što bi to učinila na većem području.

Također, ako se difuzija odvija prema gradijentu koncentracije, mora postojati neki oblik energije koji olakšava difuziju. Razmotrimo kako voda, ugljični dioksid i kisik mogu pasivnom difuzijom (ili osmozom, u slučaju vode) lako prelaziti stanične membrane. Ali ako velika, nelipidno topljiva molekula mora proći kroz staničnu membranu, tada je potreban aktivni transport, što je gdje stupa visokoenergetska molekula adenozin trifosfata (ATP) kako bi se olakšala difuzija kroz stanične membrane.