Diffusjon skjer på grunn av partikkelbevegelse. Partikler i tilfeldig bevegelse, som gassmolekyler, støter på hverandre, etter brunianbevegelse, til de sprer seg jevnt i et gitt område. Diffusjon er da strømmen av molekyler fra et område med høy konsentrasjon til det med lav konsentrasjon, til likevekt er nådd. Kort fortalt beskriver diffusjon en gass, væske eller faststoff som dispergerer gjennom et bestemt rom eller gjennom et andre stoff. Diffusjonseksempler inkluderer en parfymearoma som sprer seg gjennom et rom, eller en dråpe grønn matfarge som sprer seg gjennom en kopp vann. Det er en rekke måter å beregne diffusjonshastigheter på.
TL; DR (for lang; Leste ikke)
Husk at begrepet "rate" refererer til endring i en mengde over tid.
Grahams diffusjonslov
På begynnelsen av 1800-tallet oppdaget den skotske kjemikeren Thomas Graham (1805-1869) det kvantitative forholdet som nå bærer navnet hans. Grahams lov sier at diffusjonshastigheten til to gassformige stoffer er omvendt proporsjonal med kvadratroten av deres molare masser. Dette forholdet ble nådd, gitt at alle gasser som er funnet ved samme temperatur, har den samme gjennomsnittlige kinetiske energi, som forstått i Kinetic Theory of Gases. Med andre ord er Grahams lov en direkte konsekvens av at gassmolekylene har samme gjennomsnittlige kinetiske energi når de har samme temperatur. I henhold til Grahams lov beskriver diffusjon blanding av gasser, og diffusjonshastigheten er hastigheten for blandingen. Merk at Grahams lov om diffusjon også kalles Grahams lov om effusjon, fordi effusjon er et spesielt tilfelle av diffusjon. Effusjon er fenomenet når gassformige molekyler rømmer gjennom et lite hull i et vakuum, evakuert rom eller kammer. Effusjonshastigheten måler hastigheten som gassen overføres til det vakuumet, det evakuerte rommet eller kammeret. Så en måte å beregne diffusjonshastighet eller effusjonshastighet i et ordproblem er å lage beregninger basert på Grahams lov, som uttrykker forholdet mellom molære gasser og deres diffusjon eller effusjon priser.
Ficks Laws of Diffusion
På midten av 1800-tallet formulerte tyskfødt lege og fysiolog Adolf Fick (1829-1901) et sett med lover som styrer oppførselen til en gass som sprer seg over en væskehinne. Ficks første lov om diffusjon sier at fluss, eller nettobevægelsen av partikler i et bestemt område innen en bestemt tidsperiode, er direkte proporsjonal med gradientens bratthet. Ficks første lov kan skrives som:
flux = -D (dC ÷ dx)
hvor (D) refererer til diffusjonskoeffisienten og (dC / dx) er gradienten (og er et derivat i kalkulus). Så Ficks første lov sier i utgangspunktet at tilfeldig partikkelbevegelse fra bruniansk bevegelse fører til drift eller spredning av partikler fra regioner med høy konsentrasjon til lave konsentrasjoner - og at drivhastighet, eller diffusjonshastighet, er proporsjonal med gradient av tetthet, men i motsatt retning av den gradienten (som står for det negative tegnet foran diffusjonen konstant). Mens Ficks første lov om diffusjon beskriver hvor mye flyt det er, er det faktisk Ficks andre lov om Diffusjon som videre beskriver diffusjonshastigheten, og den tar form av en delvis differensial ligning. Ficks andre lov er beskrevet av formelen:
T = (1 ÷ [2D]) x2
som betyr at tiden for diffus øker med kvadratet til avstanden, x. I hovedsak gir Ficks første og andre lov om diffusjon informasjon om hvordan konsentrasjonsgradienter påvirker diffusjonshastigheter. Interessant nok, University of Washington utarbeidet et ditty som en mnemonic for å hjelpe huske hvordan Ficks ligninger hjelper til med å beregne diffusjonshastighet: ”Fick sier hvor raskt et molekyl vil diffust. Delta P ganger A ganger k over D er loven å bruke…. Trykkforskjell, overflateareal og konstant k multipliseres sammen. De er delt med diffusjonsbarriere for å bestemme den eksakte diffusjonshastigheten. "
Andre interessante fakta om diffusjonshastigheter
Diffusjon kan forekomme i faste stoffer, væsker eller gasser. Selvfølgelig foregår diffusjon raskest i gasser og tregest i faste stoffer. Diffusjonshastigheter kan også påvirkes av flere faktorer. Økt temperatur øker for eksempel diffusjonshastighetene. På samme måte kan partikkelen som blir diffundert og materialet den diffunderer inn i, påvirke diffusjonshastigheter. Legg merke til for eksempel at polare molekyler diffunderer raskere i polare medier, som vann, mens ikke-polare molekyler er ublandbare og dermed har vanskelig for å diffundere i vann. Tettheten av materialet er nok en faktor som påvirker diffusjonshastighetene. Forståelig nok diffunderer tyngre gasser langt saktere sammenlignet med deres lettere kolleger. Videre kan størrelsen på interaksjonsområdet påvirke diffusjonshastighetene, noe som fremgår av aromaen til hjemmelaget mat som sprer seg gjennom et lite område raskere enn det ville gjort i et større område.
Også, hvis diffusjon finner sted mot en konsentrasjonsgradient, må det være en eller annen form for energi som letter diffusjonen. Tenk på hvordan vann, karbondioksid og oksygen lett kan krysse cellemembraner ved passiv diffusjon (eller osmose, når det gjelder vann). Men hvis et stort, ikke-lipidoppløselig molekyl må passere gjennom cellemembranen, kreves aktiv transport, som er der høyenergimolekylet av adenosintrifosfat (ATP) trer inn for å lette diffusjonen over cellulære membraner.