Diffusie vindt plaats vanwege de beweging van deeltjes. Deeltjes in willekeurige beweging, zoals gasmoleculen, botsen tegen elkaar, in navolging van Brownse beweging, totdat ze gelijkmatig in een bepaald gebied verspreiden. Diffusie is dan de stroom van moleculen van een gebied met een hoge concentratie naar een gebied met een lage concentratie, totdat een evenwicht is bereikt. Kort gezegd, diffusie beschrijft een gas, vloeistof of vaste stof die zich door een bepaalde ruimte of door een tweede stof verspreidt. Voorbeelden van diffusie zijn een parfumaroma dat zich door een kamer verspreidt, of een druppel groene voedingskleurstof die zich door een kopje water verspreidt. Er zijn een aantal manieren om diffusiesnelheden te berekenen.
TL; DR (te lang; niet gelezen)
Onthoud dat de term "tarief" verwijst naar de verandering in een hoeveelheid in de loop van de tijd.
De wet van diffusie van Graham
In het begin van de 19e eeuw ontdekte de Schotse chemicus Thomas Graham (1805-1869) de kwantitatieve relatie die nu zijn naam draagt. De wet van Graham stelt dat de diffusiesnelheid van twee gasvormige stoffen omgekeerd evenredig is met de vierkantswortel van hun molaire massa. Deze relatie is tot stand gekomen, aangezien alle gassen die bij dezelfde temperatuur worden gevonden dezelfde gemiddelde kinetische energie vertonen, zoals begrepen in de kinetische theorie van gassen. Met andere woorden, de wet van Graham is een direct gevolg van het feit dat de gasvormige moleculen dezelfde gemiddelde kinetische energie hebben wanneer ze op dezelfde temperatuur zijn. Voor de wet van Graham beschrijft diffusie de vermenging van gassen, en de diffusiesnelheid is de snelheid van die vermenging. Merk op dat Graham's wet van diffusie ook Graham's wet van effusie wordt genoemd, omdat effusie een speciaal geval van diffusie is. Effusie is het fenomeen waarbij gasvormige moleculen door een klein gaatje in een vacuüm, geëvacueerde ruimte of kamer ontsnappen. De effusiesnelheid meet de snelheid waarmee dat gas wordt overgebracht naar die vacuüm, geëvacueerde ruimte of kamer. Dus een manier om de diffusiesnelheid of effusiesnelheid in een woordopgave te berekenen, is door berekeningen te maken op basis van: De wet van Graham, die de relatie uitdrukt tussen molaire massa's van gassen en hun diffusie of effusie tarieven.
Ficks wetten van diffusie
Halverwege de 19e eeuw formuleerde de in Duitsland geboren arts en fysioloog Adolf Fick (1829-1901) een reeks wetten die het gedrag regelen van een gas dat door een vloeistofmembraan diffundeert. Fick's eerste diffusiewet stelt dat flux, of de netto beweging van deeltjes in een specifiek gebied binnen een bepaalde tijdsperiode, recht evenredig is met de steilheid van de gradiënt. De eerste wet van Fick kan worden geschreven als:
flux = -D(dC ÷ dx)
waarbij (D) verwijst naar de diffusiecoëfficiënt en (dC/dx) de gradiënt is (en een afgeleide is in calculus). Dus de eerste wet van Fick stelt fundamenteel dat willekeurige deeltjesbeweging van Brownse beweging leidt tot de drift of verspreiding van deeltjes van gebieden met hoge concentratie naar lage concentraties - en die driftsnelheid, of diffusiesnelheid, is evenredig met de dichtheidsgradiënt, maar in de tegenovergestelde richting van die gradiënt (wat het minteken voor de diffusie verklaart) constante). Terwijl Ficks eerste wet van diffusie beschrijft hoeveel flux er is, is het in feite Ficks tweede wet van Diffusie die de diffusiesnelheid verder beschrijft, en het neemt de vorm aan van een gedeeltelijk differentieel vergelijking. De tweede wet van Fick wordt beschreven door de formule:
T = (1 ÷ [2D])x2
wat betekent dat de tijd om te diffunderen toeneemt met het kwadraat van de afstand, x. In wezen geven de eerste en tweede diffusiewetten van Fick informatie over hoe concentratiegradiënten de diffusiesnelheden beïnvloeden. Interessant genoeg bedacht de Universiteit van Washington een deuntje als geheugensteuntje om te helpen herinneren hoe de vergelijkingen van Fick helpen bij het berekenen van de diffusiesnelheid: "Fick zegt hoe snel een molecuul zal diffuus. Delta P keer A keer k over D is de wet om te gebruiken…. Drukverschil, oppervlakte en de constante k worden met elkaar vermenigvuldigd. Ze worden gedeeld door diffusiebarrière om de exacte diffusiesnelheid te bepalen.
Andere interessante feiten over diffusiesnelheden
Diffusie kan plaatsvinden in vaste stoffen, vloeistoffen of gassen. Natuurlijk vindt diffusie het snelst plaats in gassen en het langzaamst in vaste stoffen. Diffusiesnelheden kunnen eveneens door verschillende factoren worden beïnvloed. Een verhoogde temperatuur versnelt bijvoorbeeld de diffusiesnelheid. Evenzo kunnen het deeltje dat wordt verspreid en het materiaal waarin het diffundeert de diffusiesnelheid beïnvloeden. Merk bijvoorbeeld op dat polaire moleculen sneller diffunderen in polaire media, zoals water, terwijl niet-polaire moleculen niet mengbaar zijn en daardoor moeilijk diffunderen in water. Dichtheid van het materiaal is nog een andere factor die de diffusiesnelheid beïnvloedt. Het is begrijpelijk dat zwaardere gassen veel langzamer diffunderen in vergelijking met hun lichtere tegenhangers. Bovendien kan de grootte van het interactiegebied de diffusiesnelheid beïnvloeden, wat blijkt uit het aroma van thuiskoken dat zich sneller door een klein gebied verspreidt dan in een groter gebied.
Ook als diffusie plaatsvindt tegen een concentratiegradiënt in, moet er een vorm van energie zijn die de diffusie vergemakkelijkt. Bedenk hoe water, kooldioxide en zuurstof gemakkelijk celmembranen kunnen passeren door passieve diffusie (of osmose, in het geval van water). Maar als een groot, niet in vet oplosbaar molecuul door het celmembraan moet, dan is actief transport vereist, namelijk: waar het hoogenergetische molecuul adenosinetrifosfaat (ATP) tussenkomt om de diffusie door celmembranen te vergemakkelijken.