La diffusione avviene a causa del movimento delle particelle. Particelle in movimento casuale, come le molecole di gas, si scontrano, seguendo il moto browniano, fino a disperdersi uniformemente in una data area. La diffusione è quindi il flusso di molecole da un'area ad alta concentrazione a quella a bassa concentrazione, fino al raggiungimento dell'equilibrio. In breve, la diffusione descrive un gas, liquido o solido che si disperde in uno spazio particolare o in una seconda sostanza. Esempi di diffusione includono un aroma di profumo che si diffonde in una stanza o una goccia di colorante alimentare verde che si disperde in una tazza d'acqua. Esistono diversi modi per calcolare i tassi di diffusione.
TL; DR (troppo lungo; non ho letto)
Ricorda che il termine "tasso" si riferisce alla variazione di una quantità nel tempo.
Legge di diffusione di Graham
All'inizio del XIX secolo, il chimico scozzese Thomas Graham (1805-1869) scoprì la relazione quantitativa che ora porta il suo nome. La legge di Graham afferma che la velocità di diffusione di due sostanze gassose è inversamente proporzionale alla radice quadrata delle loro masse molari. Questa relazione è stata raggiunta, dato che tutti i gas trovati alla stessa temperatura mostrano la stessa energia cinetica media, come inteso nella Teoria Cinetica dei Gas. In altre parole, la legge di Graham è una diretta conseguenza del fatto che le molecole gassose hanno la stessa energia cinetica media quando sono alla stessa temperatura. Per la legge di Graham, la diffusione descrive la miscelazione dei gas e la velocità di diffusione è la velocità di tale miscelazione. Si noti che la legge di diffusione di Graham è anche chiamata legge di effusione di Graham, perché l'effusione è un caso speciale di diffusione. L'effusione è il fenomeno quando le molecole gassose sfuggono attraverso un minuscolo foro nel vuoto, in uno spazio evacuato o in una camera. La velocità di effusione misura la velocità con cui quel gas viene trasferito in quel vuoto, spazio evacuato o camera. Quindi un modo per calcolare la velocità di diffusione o la velocità di effusione in un problema di parole è fare calcoli basati su Legge di Graham, che esprime la relazione tra le masse molari dei gas e la loro diffusione o effusione aliquote.
Leggi di diffusione di Fickck
A metà del XIX secolo, il medico e fisiologo tedesco Adolf Fick (1829-1901) formulò una serie di leggi che disciplinavano il comportamento di un gas che si diffonde attraverso una membrana fluida. La prima legge della diffusione di Fick afferma che il flusso, o il movimento netto delle particelle in un'area specifica entro un determinato periodo di tempo, è direttamente proporzionale alla pendenza del gradiente. La prima legge di Fick può essere scritta come:
flusso = -D(dC ÷ dx)
dove (D) si riferisce al coefficiente di diffusione e (dC/dx) è il gradiente (ed è una derivata nel calcolo). Quindi la prima legge di Fick afferma fondamentalmente che il movimento casuale delle particelle dal moto browniano porta alla deriva o dispersione di particelle da regioni ad alta concentrazione a basse concentrazioni - e tale velocità di deriva, o velocità di diffusione, è proporzionale alla gradiente di densità, ma nella direzione opposta a tale gradiente (che rappresenta il segno negativo davanti alla diffusione costante). Mentre la prima legge di diffusione di Fick descrive quanto flusso c'è, è in realtà la seconda legge di Fick di Diffusione che descrive ulteriormente la velocità di diffusione e assume la forma di un differenziale parziale equazione. La seconda legge di Fick è descritta dalla formula:
T = (1 ÷ [2D])x2
il che significa che il tempo di diffusione aumenta con il quadrato della distanza, x. In sostanza, la prima e la seconda legge della diffusione di Fick forniscono informazioni su come i gradienti di concentrazione influenzano i tassi di diffusione. È interessante notare che l'Università di Washington ha ideato una canzoncina come mnemonico per aiutare a ricordare come le equazioni di Fick aiutano nel calcolo della velocità di diffusione: "Fick dice quanto velocemente una molecola sarà diffondere. Delta P volte A volte k su D è la legge da usare…. La differenza di pressione, l'area superficiale e la costante k vengono moltiplicate insieme. Sono divisi per barriera di diffusione per determinare l'esatta velocità di diffusione".
Altri fatti interessanti sui tassi di diffusione
La diffusione può avvenire in solidi, liquidi o gas. Naturalmente, la diffusione avviene più velocemente nei gas e più lenta nei solidi. Anche i tassi di diffusione possono essere influenzati da diversi fattori. L'aumento della temperatura, ad esempio, accelera i tassi di diffusione. Allo stesso modo, la particella che viene diffusa e il materiale in cui si sta diffondendo possono influenzare i tassi di diffusione. Nota, ad esempio, che le molecole polari si diffondono più velocemente nei mezzi polari, come l'acqua, mentre le molecole non polari sono immiscibili e quindi hanno difficoltà a diffondersi nell'acqua. La densità del materiale è un altro fattore che influenza i tassi di diffusione. Comprensibilmente, i gas più pesanti si diffondono molto più lentamente rispetto alle loro controparti più leggere. Inoltre, la dimensione dell'area di interazione può influire sui tassi di diffusione, evidenziati dall'aroma della cucina casalinga che si disperde attraverso una piccola area più velocemente di quanto farebbe in un'area più ampia.
Inoltre, se la diffusione avviene contro un gradiente di concentrazione, deve esserci una qualche forma di energia che faciliti la diffusione. Considera come acqua, anidride carbonica e ossigeno possono facilmente attraversare le membrane cellulari per diffusione passiva (o osmosi, nel caso dell'acqua). Ma se una grande molecola non liposolubile deve passare attraverso la membrana cellulare, è necessario un trasporto attivo, che è dove la molecola ad alta energia di adenosina trifosfato (ATP) interviene per facilitare la diffusione attraverso le membrane cellulari.
