דיפוזיה מתרחשת בגלל תנועת חלקיקים. חלקיקים בתנועה אקראית, כמו מולקולות גז, נתקלים זה בזה, בעקבות תנועה בראונית, עד שהם מתפזרים באופן שווה באזור נתון. דיפוזיה אז היא זרימת מולקולות מאזור עם ריכוז גבוה לזה של ריכוז נמוך, עד שמגיעים לשיווי משקל. בקיצור, דיפוזיה מתארת גז, נוזל או מוצק המתפזרים בכל חלל מסוים או בכל חומר שני. דוגמאות דיפוזיה כוללות ארומת בושם המתפשטת בחדר, או טיפה של צבע מאכל ירוק המתפזר בכוס מים. ישנן מספר דרכים לחישוב קצב דיפוזיה.
TL; DR (ארוך מדי; לא קרא)
זכרו שהמונח "שיעור" מתייחס לשינוי בכמות לאורך זמן.
חוק הפיזור של גרהם
בתחילת המאה ה -19 גילה כימאי סקוטי תומאס גרהאם (1805-1869) את הקשר הכמותי הנושא כיום את שמו. חוק גרהם קובע כי קצב הדיפוזיה של שני חומרים גזיים הוא ביחס הפוך לשורש הריבועי של המסה הטוחנת שלהם. קשר זה הושג, בהתחשב בכך שכל הגזים שנמצאו באותה טמפרטורה מציגים את אותה אנרגיה קינטית ממוצעת, כפי שהובן בתאוריית הגזים הקינטית. במילים אחרות, החוק של גרהם הוא תוצאה ישירה לכך שלמולקולות הגזיות יש אותה אנרגיה קינטית ממוצעת כשהן באותה טמפרטורה. על פי חוק גרהם, דיפוזיה מתארת ערבוב גזים, וקצב הדיפוזיה הוא קצב הערבוב הזה. שים לב שחוק הפיזור של גרהם נקרא גם חוק האפוזיה של גרהם, מכיוון שאפוז הוא מקרה מיוחד של דיפוזיה. אפיון הוא התופעה כאשר מולקולות גזיות בורחות דרך חור זעיר לחלל ריק, פינה או תא. קצב התפליטה מודד את המהירות שבה מועבר הגז לאותו ואקום, חלל או חדר מפונה. אז אחת הדרכים לחישוב קצב דיפוזיה או קצב התפשטות בבעיית מילים היא לבצע חישובים על בסיס החוק של גרהם, המבטא את הקשר בין המסה הטוחנת של גזים לבין התפשטותם או התפליטותם תעריפים.
חוקי הפיזור של פיק
באמצע המאה ה -19 ניסח הרופא והפיזיולוג יליד גרמניה אדולף פיק (1829-1901) מערכת חוקים המסדירה את התנהגותו של גז המפזר על פני קרום נוזל. חוק הפיזור הראשון של פיק קובע כי שטף, או תנועת נטו של חלקיקים באזור מסוים בתוך פרק זמן מסוים, עומד ביחס ישר לתלילות השיפוע. החוק הראשון של פיק יכול להיכתב כ:
שטף = -D (dC ÷ dx)
כאשר (D) מתייחס למקדם הדיפוזיה ו- (dC / dx) הוא השיפוע (והוא נגזרת בחשבון). אז החוק הראשון של פיק קובע מיסודו כי תנועת חלקיקים אקראית מתנועה בראונית מובילה להיסחפות או לפיזור של חלקיקים מאזורים בעלי ריכוז גבוה לריכוזים נמוכים - וקצב ההיסחפות, או קצב הדיפוזיה, הוא פרופורציונאלי ל- שיפוע צפיפות, אך בכיוון ההפוך לאותו שיפוע (אשר מהווה את הסימן השלילי מול הדיפוזיה קָבוּעַ). חוק הפיזור הראשון של פיק מתאר אמנם כמה שטף יש, אך למעשה החוק השני של פיק של דיפוזיה המתארת עוד יותר את קצב הדיפוזיה, והיא לובשת צורה של דיפרנציאל חלקי משוואה. החוק השני של פיק מתואר על ידי הנוסחה:
T = (1 ÷ [2D]) x2
מה שאומר שזמן הפיזור גדל עם ריבוע המרחק, x. בעיקרו של דבר, חוקי הפיזור הראשון והשני של פיק מספקים מידע על השפעות שיפועי הריכוז על קצב הדיפוזיה. מעניין לציין כי אוניברסיטת וושינגטון תיארה תעלומה כמזכירה כדי לעזור לזכור כיצד המשוואות של פיק מסייעות בחישוב קצב דיפוזיה: "פיק אומר כמה מהר תהיה מולקולה מְפוּזָר. דלתא P פעמים A פעמים k מעל D הוא החוק לשימוש... הפרת הלחץ, שטח הפנים והקבוע הקבוע מוכפלים יחד. הם מחולקים לפי מחסום דיפוזיה כדי לקבוע את קצב הדיפוזיה המדויק. "
עובדות מעניינות אחרות אודות שיעורי דיפוזיה
דיפוזיה יכולה להתרחש במוצקים, נוזלים או גזים. כמובן, דיפוזיה מתרחשת הכי מהר בגזים והאיטית ביותר במוצקים. שיעורי דיפוזיה יכולים להיות מושפעים מכמה גורמים. עלייה בטמפרטורה, למשל, מאיצה את קצב הדיפוזיה. באופן דומה, החלקיק המפוזר והחומר שהוא מתפזר אליו יכולים להשפיע על קצב הדיפוזיה. שימו לב, למשל, שמולקולות קוטביות מתפזרות מהר יותר בתקשורת קוטבית, כמו מים, ואילו מולקולות שאינן קוטביות אינן ניתנות לתערובת ובכך מתקשות להתפזר במים. צפיפות החומר היא גורם נוסף המשפיע על קצב הדיפוזיה. מובן כי גזים כבדים מתפזרים לאט בהשוואה לעמיתיהם הקלים יותר. יתר על כן, גודל אזור האינטראקציה יכול להשפיע על קצב הדיפוזיה, ויעיד על ידי ארומת הבישול הביתי המתפזרת באזור קטן יותר ממה שהיה עושה באזור גדול יותר.
כמו כן, אם דיפוזיה מתרחשת כנגד שיפוע ריכוז, חייבת להיות צורה כלשהי של אנרגיה המאפשרת את הדיפוזיה. שקול כיצד מים, פחמן דו חמצני וחמצן יכולים בקלות לעבור קרומי תאים באמצעות דיפוזיה פסיבית (או אוסמוזה, במקרה של מים). אבל אם מולקולה גדולה ולא מסיסה בשומנים צריכה לעבור דרך קרום התא, אזי נדרשת הובלה פעילה שהיא כאשר המולקולה האנרגטית הגבוהה של אדנוזין טריפוספט (ATP) נכנסת כדי להקל על התפשטות על פני ממברנות התא.