Ako vypočítať rýchlosť difúzie

K difúzii dochádza v dôsledku pohybu častíc. Častice v náhodnom pohybe, ako molekuly plynu, narazia do seba nasledovaním Brownovho pohybu, až kým sa v danej oblasti nerozptýlia rovnomerne. Difúzia potom predstavuje tok molekúl z oblasti vysokej koncentrácie do oblasti nízkej koncentrácie, kým sa nedosiahne rovnováha. Stručne povedané, difúzia popisuje plyn, kvapalinu alebo pevnú látku dispergujúcu v konkrétnom priestore alebo v druhej látke. Príklady difúzie zahŕňajú parfumovú arómu šíriacu sa po miestnosti alebo kvapku zeleného potravinárskeho farbiva rozptýleného po šálke vody. Existuje niekoľko spôsobov, ako vypočítať rýchlosti difúzie.

TL; DR (príliš dlhý; Nečítali)

Pamätajte, že výraz „sadzba“ označuje zmenu množstva v priebehu času.

Na začiatku 19. storočia škótsky chemik Thomas Graham (1805-1869) objavil kvantitatívny vzťah, ktorý dnes nesie jeho meno. Grahamov zákon hovorí, že rýchlosť difúzie dvoch plynných látok je nepriamo úmerná druhej odmocnine ich molárnych hmotností. K tomuto vzťahu sa dospelo vzhľadom na to, že všetky plyny nájdené pri rovnakej teplote vykazujú rovnakú priemernú kinetickú energiu, ako sa to rozumie v kinetickej teórii plynov. Inými slovami, Grahamov zákon je priamym dôsledkom toho, že plynné molekuly majú rovnakú priemernú kinetickú energiu, keď majú rovnakú teplotu. Podľa Grahamovho zákona difúzia popisuje zmiešanie plynov a rýchlosť difúzie je rýchlosť tohto zmiešania. Všimnite si, že Grahamov zákon difúzie sa nazýva aj Grahamov zákon difúzie, pretože efúzia je zvláštnym prípadom difúzie. Výpotok je jav, keď plynné molekuly unikajú cez malý otvor do vákua, evakuovaného priestoru alebo komory. Rýchlosť výpotku meria rýchlosť, ktorou sa tento plyn prenáša do tohto vákua, evakuovaného priestoru alebo komory. Jedným zo spôsobov výpočtu rýchlosti difúzie alebo rýchlosti efúzie v slovnej úlohe je teda výpočet založený na Grahamov zákon, ktorý vyjadruje vzťah medzi molárnymi hmotnosťami plynov a ich difúziou alebo výpotkom sadzby.

V polovici 19. storočia formuloval nemecký lekár a fyziológ Adolf Fick (1829-1901) súbor zákonov, ktoré upravujú správanie sa plynu difundujúceho cez tekutinovú membránu. Fickov prvý zákon difúzie uvádza, že tok alebo čistý pohyb častíc v konkrétnej oblasti v konkrétnom časovom období je priamo úmerný strmosti gradientu. Fickov prvý zákon možno napísať ako:

tok = -D (dC ÷ dx)

kde (D) sa vzťahuje na difúzny koeficient a (dC / dx) je gradient (a je deriváciou v počte). Fickov prvý zákon teda zásadne tvrdí, že náhodný pohyb častíc z Brownovho pohybu vedie k driftu alebo rozptýleniu častice z oblastí s vysokou koncentráciou do nízkej koncentrácie - a táto rýchlosť driftu alebo rýchlosť difúzie je úmerná hodnote gradient hustoty, ale v opačnom smere k tomuto gradientu (ktorý predstavuje záporné znamienko pred difúziou konštanta). Zatiaľ čo Fickov prvý zákon difúzie popisuje, aký veľký tok je, v skutočnosti ide o Fickov druhý zákon z Difúzia, ktorá ďalej popisuje rýchlosť difúzie a má formu čiastočného diferenciálu rovnica. Fickov druhý zákon je opísaný vzorcom:

T = (1 ÷ [2D]) x²

čo znamená, že čas na rozptyl sa zvyšuje so štvorcom vzdialenosti, x. Fickov prvý a druhý zákon difúzie v zásade poskytujú informácie o tom, ako koncentračné gradienty ovplyvňujú rýchlosti difúzie. Je zaujímavé, že Washingtonská univerzita vymyslela ditty ako mnemotechniku, ktorá si pamätá ako Fickove rovnice pomáhajú pri výpočte rýchlosti difúzie: „Fick hovorí, aká rýchla bude molekula rozptýlené. Delta P krát A krát k nad D je zákon, ktorý sa používa…. Tlakový rozdiel, povrchová plocha a konštanta k sa vynásobia spolu. Delí ich difúzna bariéra, aby sa určila presná rýchlosť difúzie. “

K difúzii môže dochádzať v tuhých látkach, kvapalinách alebo plynoch. Difúzia samozrejme prebieha najrýchlejšie v plynoch a najpomalšie v tuhých látkach. Na rýchlosť difúzie môže mať vplyv aj niekoľko faktorov. Zvýšená teplota napríklad zvyšuje rýchlosť difúzie. Podobne môže difúzna rýchlosť ovplyvňovať častica, ktorá difunduje, a materiál, do ktorého difunduje. Všimnite si napríklad, že polárne molekuly difundujú rýchlejšie v polárnych médiách, ako je voda, zatiaľ čo nepolárne molekuly sú nemiešateľné a tým pádom vo vode ťažko difundujú. Hustota materiálu je ďalším faktorom ovplyvňujúcim rýchlosť difúzie. Je zrejmé, že ťažšie plyny difundujú v porovnaní so svojimi ľahšími náprotivkami oveľa pomalšie. Veľkosť oblasti interakcie môže mať navyše vplyv na rýchlosť difúzie, o čom svedčí aróma domáceho varenia, ktorá sa šíri po malej ploche rýchlejšie ako pri väčšej ploche.

Ak tiež difúzia prebieha proti koncentračnému gradientu, musí existovať nejaká forma energie, ktorá difúziu uľahčí. Zvážte, ako môže voda, oxid uhličitý a kyslík ľahko prechádzať bunkovými membránami pasívnou difúziou (alebo v prípade vody osmózou). Pokiaľ ale musí veľká lipidovo nerozpustná molekula prechádzať bunkovou membránou, je potrebný aktívny transport, čo je kde vysokoenergetická molekula adenozíntrifosfátu (ATP) vstupuje do skupiny, ktorá uľahčuje difúziu cez bunkové membrány.