Difūzija notiek daļiņu kustības dēļ. Nejaušas kustības daļiņas, tāpat kā gāzes molekulas, pēc Brauna kustības ietriecas viena otrā, līdz tās vienmērīgi izkliedējas noteiktā apgabalā. Difūzija ir molekulu plūsma no augstas koncentrācijas zonas līdz zemas koncentrācijas zonai, līdz tiek sasniegts līdzsvars. Īsāk sakot, difūzija raksturo gāzi, šķidrumu vai cietu vielu, kas izkliedējas noteiktā telpā vai visā otrajā vielā. Difūzijas piemēri ietver smaržu aromātu, kas izplatās visā telpā, vai zaļo pārtikas krāsvielu pilienu, kas izkliedējas visā tasē ūdens. Ir vairāki veidi, kā aprēķināt difūzijas ātrumus.
TL; DR (pārāk ilgi; Nelasīju)
Atcerieties, ka termins "likme" attiecas uz daudzuma izmaiņām laika gaitā.
Greiema difūzijas likums
19. gadsimta sākumā skotu ķīmiķis Tomass Greiems (1805–1869) atklāja kvantitatīvās attiecības, kas tagad nes viņa vārdu. Grehema likums nosaka, ka divu gāzveida vielu difūzijas ātrums ir apgriezti proporcionāls to molāro masu kvadrātsaknei. Šī sakarība tika panākta, ņemot vērā, ka visām tajā pašā temperatūrā atrastajām gāzēm ir tāda pati vidējā kinētiskā enerģija, kā tas ir saprotams gāzu kinētiskajā teorijā. Citiem vārdiem sakot, Greiema likums ir tiešas sekas gāzveida molekulām ar tādu pašu vidējo kinētisko enerģiju, kad tās atrodas vienā temperatūrā. Grehema likumam difūzija apraksta gāzu sajaukšanos, un difūzijas ātrums ir šīs sajaukšanās ātrums. Ņemiet vērā, ka Greiema difūzijas likumu sauc arī par Greima izplūduma likumu, jo efūzija ir īpašs difūzijas gadījums. Efūzija ir parādība, kad gāzveida molekulas caur nelielu caurumu izplūst vakuumā, evakuētajā telpā vai kamerā. Efūzijas ātrums mēra ātrumu, ar kādu šī gāze tiek ievadīta šajā vakuumā, evakuētajā telpā vai kamerā. Tātad viens no difūzijas ātruma vai efūzijas ātruma aprēķināšanas veidiem vārda uzdevumā ir veikt aprēķinus, pamatojoties uz Greiema likums, kas izsaka attiecības starp moliskajām gāzu masām un to difūziju vai izsvīdumu likmes.
Fika likumi par difūziju
19. gadsimta vidū vācu izcelsmes ārsts un fiziologs Ādolfs Fiks (1829–1901) formulēja likumu kopumu, kas regulē gāzes uzvedību, kas izkliedējas pāri šķidruma membrānai. Fika pirmais difūzijas likums nosaka, ka plūsma jeb daļiņu neto kustība noteiktā apgabalā noteiktā laika periodā ir tieši proporcionāla gradienta stāvumam. Fika pirmo likumu var rakstīt šādi:
plūsma = -D (dC ÷ dx)
kur (D) attiecas uz difūzijas koeficientu un (dC / dx) ir gradients (un ir atvasinājums aprēķinā). Tātad Fika pirmais likums fundamentāli nosaka, ka nejauša daļiņu kustība no Brauna kustības noved pie daļiņas no augstas koncentrācijas reģioniem līdz zemām koncentrācijām - un tas drifta ātrums jeb difūzijas ātrums ir proporcionāls blīvuma gradients, bet pretējā virzienā šim gradientam (kas veido negatīvo zīmi difūzijas priekšā nemainīgs). Lai arī Fika pirmais difūzijas likums apraksta, cik daudz plūsmas ir, patiesībā tas ir Fika otrais likums Difūzija, kas sīkāk raksturo difūzijas ātrumu, un tai ir daļēja diferenciālā forma vienādojums. Fika otrais likums ir aprakstīts pēc formulas:
T = (1 ÷ [2D]) x2
tas nozīmē, ka difūzijas laiks palielinās līdz ar attāluma kvadrātu x. Būtībā Fika pirmais un otrais difūzijas likums sniedz informāciju par to, kā koncentrācijas gradienti ietekmē difūzijas ātrumus. Interesanti, ka Vašingtonas universitāte izdomāja kā mnemotonu, kas palīdzētu atcerēties kā Fika vienādojumi palīdz aprēķināt difūzijas ātrumu: “Fiks saka, cik ātri molekula būs izkliedēts. Delta P reizes A reizes k virs D ir likums, kas jāizmanto…. Spiediena starpību, virsmas laukumu un konstanti k reizina kopā. Tie ir sadalīti pēc difūzijas barjeras, lai noteiktu precīzu difūzijas ātrumu. "
Citi interesanti fakti par difūzijas kursiem
Difūzija var notikt cietās daļās, šķidrumos vai gāzēs. Protams, difūzija notiek visātrāk gāzēs un lēnāk cietajās vielās. Difūzijas ātrumu tāpat var ietekmēt vairāki faktori. Piemēram, paaugstināta temperatūra paātrina difūzijas ātrumu. Tāpat difūzijas daļiņa un materiāls, kurā tā izkliedējas, var ietekmēt difūzijas ātrumu. Ievērojiet, piemēram, ka polārās molekulas difundē ātrāk polārajos vidēs, piemēram, ūdenī, turpretī nepolārās molekulas nesajaucas un tādējādi tām ir grūti difundēt ūdenī. Materiāla blīvums ir vēl viens faktors, kas ietekmē difūzijas ātrumu. Saprotams, ka smagākas gāzes difūzijas notiek daudz lēnāk, salīdzinot ar to vieglākajiem kolēģiem. Turklāt mijiedarbības laukuma lielums var ietekmēt difūzijas ātrumus, par ko liecina mājas ēdienu gatavošanas aromāts, kas izkliedējas mazā vietā ātrāk nekā tas būtu lielāks.
Turklāt, ja difūzija notiek pret koncentrācijas gradientu, ir jābūt kādai enerģijas formai, kas atvieglo difūziju. Apsveriet, kā ūdens, oglekļa dioksīds un skābeklis var viegli šķērsot šūnu membrānas, izmantojot pasīvo difūziju (vai osmozi ūdens gadījumā). Bet, ja caur šūnu membrānu jāiet cauri lielai, lipīdos nešķīstošai molekulai, ir nepieciešams aktīvs transports, kas ir kur iestājas augstas enerģijas adenozīna trifosfāta (ATP) molekula, lai veicinātu difūziju starp šūnu membrānām.
