Dyfuzja następuje z powodu ruchu cząstek. Cząsteczki poruszające się losowo, takie jak cząsteczki gazu, zderzają się ze sobą, podążając za ruchem Browna, aż rozproszą się równomiernie w danym obszarze. Dyfuzja to przepływ cząsteczek z obszaru o wysokim stężeniu do obszaru o niskim stężeniu, aż do osiągnięcia równowagi. W skrócie, dyfuzja opisuje gaz, ciecz lub ciało stałe rozpraszające się w określonej przestrzeni lub w drugiej substancji. Przykłady dyfuzji obejmują aromat perfum rozprowadzający się po całym pomieszczeniu lub kroplę zielonego barwnika spożywczego rozpraszającą się w filiżance wody. Istnieje kilka sposobów obliczania szybkości dyfuzji.
TL; DR (zbyt długi; Nie czytałem)
Pamiętaj, że termin „stawka” odnosi się do zmiany ilości w czasie.
Prawo dyfuzji Grahama
Na początku XIX wieku szkocki chemik Thomas Graham (1805-1869) odkrył zależność ilościową, która teraz nosi jego imię. Prawo Grahama mówi, że szybkość dyfuzji dwóch substancji gazowych jest odwrotnie proporcjonalna do pierwiastka kwadratowego ich mas molowych. Ta zależność została osiągnięta, biorąc pod uwagę, że wszystkie gazy znalezione w tej samej temperaturze wykazują tę samą średnią energię kinetyczną, jak rozumie się w Kinetycznej Teorii Gazów. Innymi słowy, prawo Grahama jest bezpośrednią konsekwencją tego, że cząsteczki gazowe mają taką samą średnią energię kinetyczną, gdy są w tej samej temperaturze. Zgodnie z prawem Grahama dyfuzja opisuje mieszanie gazów, a szybkość dyfuzji to szybkość tego mieszania. Zauważ, że prawo dyfuzji Grahama jest również nazywane prawem dyfuzji Grahama, ponieważ efuzja jest szczególnym przypadkiem dyfuzji. Efuzja to zjawisko, gdy cząsteczki gazu uciekają przez maleńki otwór do próżni, pustej przestrzeni lub komory. Szybkość efuzji mierzy prędkość, z jaką ten gaz jest przenoszony do tej próżni, pustej przestrzeni lub komory. Tak więc jednym ze sposobów obliczenia szybkości dyfuzji lub szybkości wysięku w zadaniu tekstowym jest wykonanie obliczeń na podstawie Prawo Grahama, które wyraża związek między masami molowymi gazów a ich dyfuzją lub wysiękiem stawki.
Prawa dyfuzji Ficka
W połowie XIX wieku urodzony w Niemczech lekarz i fizjolog Adolf Fick (1829-1901) sformułował zestaw praw rządzących zachowaniem się gazu dyfundującego przez płynną błonę. Pierwsze prawo dyfuzji Ficka mówi, że strumień, czyli ruch netto cząstek w określonym obszarze w określonym czasie, jest wprost proporcjonalny do nachylenia gradientu. Pierwsze prawo Ficka można zapisać jako:
strumień = -D(dC ÷ dx)
gdzie (D) odnosi się do współczynnika dyfuzji, a (dC/dx) jest gradientem (i jest pochodną w rachunku różniczkowym). Zatem pierwsze prawo Ficka zasadniczo stwierdza, że losowy ruch cząstki z ruchu Browna prowadzi do dryfu lub rozproszenia cząstki z obszarów o wysokim stężeniu do niskich stężeń – a szybkość dryfu lub szybkość dyfuzji jest proporcjonalna do gradient gęstości, ale w kierunku przeciwnym do tego gradientu (co odpowiada ujemnemu znakowi przed dyfuzją) stały). Podczas gdy pierwsze prawo dyfuzji Ficka opisuje, jak duży jest przepływ, w rzeczywistości jest to drugie prawo Ficka Dyfuzja, która dalej opisuje szybkość dyfuzji i przybiera postać różniczki cząstkowej równanie. Drugie prawo Ficka jest opisane wzorem:
T = (1 ÷ [2D])x2
co oznacza, że czas rozproszenia rośnie wraz z kwadratem odległości x. Zasadniczo pierwsze i drugie prawo dyfuzji Ficka dostarczają informacji o tym, jak gradienty stężeń wpływają na szybkość dyfuzji. Co ciekawe, Uniwersytet Waszyngtoński opracował piosenkę jako mnemonik, aby pomóc zapamiętać jak równania Ficka pomagają w obliczaniu szybkości dyfuzji: „Fick mówi, jak szybko będzie cząsteczka rozproszony. Delta P razy A razy k przez D to prawo do użycia…. Różnica ciśnień, pole powierzchni i stała k mnoży się razem. Są one podzielone przez barierę dyfuzyjną, aby określić dokładne tempo dyfuzji.”
Inne ciekawe fakty dotyczące szybkości dyfuzji
Dyfuzja może zachodzić w ciałach stałych, cieczach lub gazach. Oczywiście dyfuzja przebiega najszybciej w gazach, a najwolniej w ciałach stałych. Na szybkość dyfuzji może również wpływać kilka czynników. Na przykład podwyższona temperatura przyspiesza tempo dyfuzji. Podobnie dyfundowana cząstka i materiał, do którego dyfunduje, mogą wpływać na szybkość dyfuzji. Zauważ na przykład, że molekuły polarne dyfundują szybciej w ośrodkach polarnych, takich jak woda, podczas gdy molekuły niepolarne nie mieszają się i dlatego mają trudności z dyfuzją w wodzie. Gęstość materiału jest kolejnym czynnikiem wpływającym na szybkość dyfuzji. Zrozumiałe jest, że cięższe gazy dyfundują znacznie wolniej w porównaniu z ich lżejszymi odpowiednikami. Co więcej, wielkość obszaru interakcji może wpływać na szybkość dyfuzji, o czym świadczy zapach domowej kuchni rozpraszający się na małym obszarze szybciej niż na większym obszarze.
Ponadto, jeśli dyfuzja odbywa się wbrew gradientowi stężeń, musi istnieć jakaś forma energii, która ułatwia dyfuzję. Zastanów się, jak woda, dwutlenek węgla i tlen mogą łatwo przenikać przez błony komórkowe poprzez dyfuzję pasywną (lub osmozę w przypadku wody). Ale jeśli duża, nierozpuszczalna w lipidach cząsteczka musi przejść przez błonę komórkową, wymagany jest transport aktywny, co oznacza: gdzie wysokoenergetyczna cząsteczka trifosforanu adenozyny (ATP) wkracza, aby ułatwić dyfuzję przez błony komórkowe.