Jeśli kiedykolwiek widziałeś parę unoszącą się z kanału burzowego i znikającą z pola widzenia, unoszącą się w powietrze dzięki własnemu cieple, widziałeś dyfuzję cząsteczek gazu w akcji.
Kiedy rozpylasz odświeżacz powietrza w pomieszczeniu, a zapach w obszarze, w którym rozpylałeś, stopniowo słabnie, jest to wynikiem różne cząsteczki gazu niezmiennie trafiają do miejsc w lokalnej atmosferze, do których dotarło już mniej ich „rówieśników” osiągnięty.
Dyfuzja to jeden z procesów, w którym cząsteczki poruszają się w przestrzeni. Czasami ta przestrzeń jest powietrzem, innym razem płynną, a jeszcze innym razem jest zlokalizowana w obszarze biologicznej błony komórkowej. Gdyby nie różne formy dyfuzji, w rzeczywistości komórki twojego ciała nie byłyby w stanie wykonywać swojej pracy i szybko by się dusiły i głodowały.
Co to jest dyfuzja w chemii?
Dyfuzja jest zdefiniowana jako bierny ruch substancji rozpuszczonej (takiej jak cząsteczka dwutlenku węgla) przez przepuszczalną błonę. Słowo "bierny" wykonuje dużo pracy w tym zdaniu; oznacza to, że do systemu nie trzeba wkładać energii, aby skłonić substancję rozpuszczoną przez membranę na drugą stronę.
Co to jest membrana przepuszczalna? Jest to nazwa bariery (zwykle biologicznej), która pozwala molekułom przejść w określonych warunkach. W przypadku dyfuzji energia jest dostarczana przez gradient stężenia. Dzieje się tak, ponieważ substancja ma tendencję do poruszania się w dowolnym kierunku, dopóki nie zostanie równomiernie rozprowadzona w przestrzeni, w której ją ogranicza i jej molekularnych kohortach.
Czynniki wpływające na szybkość dyfuzji
Na szybkość dyfuzji substancji wpływa wiele czynników. Należy zauważyć, że dyfuzja naturalnie trwa aż do osiągnięcia równowagi, a substancja jest równomiernie rozprowadzana w swoim medium. Należy również pamiętać, że w mieszaninie substancji każda z nich ma swój własny gradient stężeń, na który nie mają wpływu inne gradienty w jego środku (chociaż obecność tych różnych cząsteczek wpływa na ich indywidualne ruchy poprzez sam she gromadzenie się).
Siła gradientu stężenia: Jak można się spodziewać, im większa różnica w stężeniu przez błonę plazmatyczną, tym szybciej substancja rozpuszczona będzie przez nią dyfundować. W miarę zbliżania się do równowagi szybkość dyfuzji spada.
Masa cząsteczek: lżejsze cząsteczki, takie jak CH4(metan), poruszają się średnio szybciej niż bardziej masywne, takie jak długie odcinki kwasów nukleinowych (np. DNA).
Powierzchnia i grubość membrany: Wraz ze wzrostem powierzchni membrany zwiększa się szybkość dyfuzji. Jednak zwiększenie grubości spowalnia dyfuzję. Pomyśl o wpływie na ruch pojazdów na autostradzie dodanie większej liczby płatnych dróg na autostradzie bez zwiększania ruchu (zwiększony „powierzchnia”); następnie rozważ efekt niepotrzebnego uczynienia każdego wąskiego pasa płatnego długości pół mili (zwiększona „grubość”).
Temperatura: Cząsteczki, jak praktycznie wszystko, o czym można pomyśleć, mają tendencję do szybszej dyfuzji wraz z temperaturą wzrasta, ponieważ zwiększa to przypadkowe zderzenia między cząsteczkami i zwiększa szybkość dyfuzja.
Rozpuszczalna polaryzacja: Niepolarny lub rozpuszczalny w tłuszczach materiały łatwiej przechodzą przez błony plazmatyczne niż materiały polarne, tj. materiały, które mają asymetryczny rozkład ładunku w cząsteczkach bez netto ładunku elektrycznego.
Gęstość rozpuszczalnika: Wraz ze wzrostem gęstości płynu, w którym zachodzi dyfuzja, dyfuzja spowalnia. To jeden z powodów, dla których odwodnienie powoduje problemy; grubsza cytoplazma komórkowa (wnętrze komórki) utrudnia biernym cząsteczkom poruszanie się w kierunku ich enzymatycznych i innych miejsc docelowych.
Prawo Grahama: Gdy gaz jest rozpuszczony w cieczy, względna szybkość dyfuzji danego gazu wynosi bezpośrednio proporcjonalna do jego rozpuszczalności w tej cieczy, ale odwrotnie proporcjonalna do pierwiastka kwadratowego jego masy molowej. W ludzkim ciele w osoczu krwi dwutlenek węgla jest nieco cięższy niż gazowy tlen, ale jego rozpuszczalność jest 22 razy większa, co daje 19-krotność szybkości dyfuzji tlenu w tym środowisku.
Odległość ścieżki substancji rozpuszczonej: Ponownie, jak można się domyślić, krótsze drogi podróży oznaczają szybsze tempo dyfuzji molekularnej.