Als je ooit stoom uit een regenafvoer hebt zien opstijgen en uit het zicht hebt zien verdwijnen als het door zijn eigen warmte in de lucht opstijgt, heb je de diffusie van gasmoleculen in actie gezien.
Wanneer je een luchtverfrisser in een kamer spuit en de geur in de ruimte waar je hebt gespoten, wordt geleidelijk zwakker, dan is dit het gevolg van verschillende gasmoleculen vinden steevast hun weg naar plaatsen in de lokale atmosfeer die minder van hun "genoten" al hebben bereikt.
Diffusie is een proces waarbij moleculen door de ruimte bewegen. Soms is deze ruimte lucht, soms is het vloeibaar en soms is het gelokaliseerd in het gebied van een biologisch celmembraan. Zonder verschillende vormen van diffusie zouden de cellen van uw lichaam hun werk niet kunnen doen en snel stikken en verhongeren.
Wat is diffusie in de chemie?
Diffusie wordt gedefinieerd als de passief beweging van een opgeloste stof (zoals een koolstofdioxidemolecuul) door een permeabel membraan. Het woord "passief" doet veel werk in deze zin; het betekent dat er geen energie in het systeem hoeft te worden gestoken om de opgeloste stof over het membraan naar de andere kant te lokken.
Wat is een permeabel membraan? Dit is een naam voor een (meestal biologische) barrière die moleculen onder bepaalde omstandigheden doorlaat. Bij diffusie wordt de energie geleverd door de concentratiegradiënt. Dit komt omdat een stof de neiging heeft om in elke richting te bewegen totdat de stof gelijkmatig is verdeeld over de ruimte die hem en zijn moleculaire cohorten begrenst.
Factoren die de diffusiesnelheid beïnvloeden
De diffusiesnelheid van een stof wordt beïnvloed door een groot aantal factoren. Merk op dat diffusie van nature doorgaat totdat evenwicht is bereikt en de stof gelijkmatig over het medium wordt verdeeld. Houd er ook rekening mee dat in een mengsel van stoffen elk zijn eigen concentratiegradiënt heeft die niet wordt beïnvloed door andere gradiënten in het midden (hoewel de aanwezigheid van deze verschillende moleculen hun individuele bewegingen door pure drukte).
Sterkte van de concentratiegradiënt: Zoals je zou verwachten, hoe groter het verschil in concentratie over een plasmamembraan, hoe sneller de opgeloste stof eroverheen zal diffunderen. Naarmate het evenwicht nadert, neemt de diffusiesnelheid af.
Massa van de moleculen: Lichtere moleculen, zoals CH4(methaan), bewegen gemiddeld sneller dan massievere, zoals lange segmenten van nucleïnezuren (bijv. DNA).
Oppervlakte en dikte van het membraan: Naarmate het oppervlak van het membraan toeneemt, neemt ook de diffusiesnelheid toe. Maar toenemende dikte vertraagt diffusie. Denk aan het effect op de doorstroming van voertuigen op snelwegen door meer tolwegen aan een snelweg toe te voegen zonder het verkeer te vergroten (vergrote "oppervlakte"); overweeg dan het effect van het onnodig maken van elke smalle tolbaan een halve mijl lang (verhoogde "dikte").
Temperatuur: Moleculen, zoals praktisch alles wat je maar kunt bedenken, hebben de neiging om sneller te diffunderen als temperatuur neemt toe, omdat dit de willekeurige botsing tussen moleculen verhoogt en de snelheid van. verhoogt verspreiding.
Polariteit opgeloste stof: niet-polair of in vet oplosbaar materialen gaan gemakkelijker door plasmamembranen dan polaire materialen, d.w.z. materialen met asymmetrische ladingsverdelingen over moleculen zonder netto elektrische lading.
Dichtheid van het oplosmiddel: Naarmate de dichtheid van de vloeistof waarin diffusie plaatsvindt toeneemt, vertraagt de diffusie. Dit is een van de redenen waarom uitdroging problemen veroorzaakt; een dikker celcytoplasma (celinterieur) maakt het moeilijker voor vitale moleculen om passief naar hun enzymatische en andere bestemmingen te tuffen.
De wet van Graham: Wanneer een gas wordt opgelost in een vloeistof, is de relatieve diffusiesnelheid van een bepaald gas direct evenredig met de oplosbaarheid in die vloeistof, maar omgekeerd evenredig met de vierkantswortel van zijn molaire massa. In het menselijk lichaam met bloedplasma is koolstofdioxide iets zwaarder dan zuurstofgas, maar de oplosbaarheid ervan is 22 keer groter, waardoor het in deze omgeving 19 keer de diffusiesnelheid van zuurstof heeft.
Afstand van het pad van de opgeloste stof: Nogmaals, zoals je zou kunnen raden, impliceren kortere reispaden hogere snelheden van moleculaire diffusie.