Kako izračunati stopnjo difuzije

Difuzija poteka zaradi gibanja delcev. Delci v naključnem gibanju, kot molekule plinov, trčijo med seboj po Brownovem gibanju, dokler se enakomerno ne razpršijo na določenem območju. Difuzija je torej pretok molekul s področja z visoko koncentracijo na območje z nizko koncentracijo, dokler ne dosežemo ravnotežja. Skratka, difuzija opisuje razpršitev plina, tekočine ali trdne snovi po določenem prostoru ali po drugi snovi. Primeri difuzije vključujejo aromo parfuma, ki se širi po sobi, ali kapljico zelene barve, ki se razprši po skodelici vode. Obstaja več načinov za izračun hitrosti difuzije.

TL; DR (predolgo; Nisem prebral)

Ne pozabite, da se izraz "stopnja" nanaša na spremembo količine skozi čas.

V začetku 19. stoletja je škotski kemik Thomas Graham (1805-1869) odkril količinsko razmerje, ki zdaj nosi njegovo ime. Grahamov zakon pravi, da je hitrost difuzije dveh plinastih snovi obratno sorazmerna kvadratnemu korenu njihovih molskih mas. Do tega razmerja smo prišli, saj vsi plini, ki jih najdemo pri isti temperaturi, kažejo enako povprečno kinetično energijo, kot je razumljena v kinetični teoriji plinov. Z drugimi besedami, Grahamov zakon je neposredna posledica, da imajo plinaste molekule enako povprečno kinetično energijo, kadar so na isti temperaturi. Za Grahamov zakon difuzija opisuje mešanje plinov, hitrost difuzije pa je hitrost tega mešanja. Upoštevajte, da se Grahamov zakon difuzije imenuje tudi Grahamov zakon izliva, ker je izliv poseben primer difuzije. Izliv je pojav, ko plinaste molekule uhajajo skozi majhno luknjo v vakuum, evakuiran prostor ali komoro. Hitrost izliva meri hitrost, s katero se ta plin prenese v ta vakuum, izpraznjeni prostor ali komoro. Torej je en način izračuna hitrosti difuzije ali hitrosti izliva pri besedni težavi izračun na podlagi Grahamov zakon, ki izraža razmerje med molskimi masami plinov in njihovo difuzijo ali izlivom stopnje.

Sredi 19. stoletja je nemški rojeni zdravnik in fiziolog Adolf Fick (1829-1901) oblikoval sklop zakonov, ki urejajo vedenje plina, ki se širi po tekoči membrani. Fickov prvi zakon o difuziji navaja, da je pretok ali neto gibanje delcev na določenem območju v določenem časovnem obdobju neposredno sorazmeren strmini gradienta. Fickov prvi zakon lahko zapišemo kot:

tok = -D (dC ÷ dx)

kjer se (D) nanaša na koeficient difuzije, (dC / dx) pa gradient (in je izpeljanka v računu). Torej Fickov prvi zakon v bistvu navaja, da naključno gibanje delcev iz Brownovega gibanja vodi do premika ali razpršitve delcev iz območij z visoko koncentracijo do nizkih koncentracij - in ta hitrost odnašanja ali hitrosti difuzije je sorazmerna z gradient gostote, vendar v nasprotni smeri gradienta (ki predstavlja negativni znak pred difuzijo konstantna). Medtem ko Fickov prvi zakon difuzije opisuje, koliko pretoka je, je v resnici Fikov drugi zakon Difuzija, ki nadalje opisuje hitrost difuzije in ima obliko delne razlike enačba. Fikov drugi zakon je opisan s formulo:

T = (1 ÷ [2D]) x²

kar pomeni, da se čas difuzije poveča s kvadratom razdalje, x. V bistvu Fickov prvi in ​​drugi zakon o difuziji zagotavljata informacije o tem, kako gradienti koncentracije vplivajo na hitrost difuzije. Zanimivo je, da je univerza v Washingtonu oblikovala drogo kot mnemotehniko, s katero si je zapomnila kako Fickove enačbe pomagajo pri izračunu hitrosti difuzije: »Fick pravi, kako hitro bo molekula difuzno. Delta P krat A krat k nad D je zakon, ki ga je treba uporabiti…. Razlika tlaka, površina in konstanta k se pomnožijo skupaj. Za določitev natančne hitrosti difuzije so razdeljeni z difuzijsko pregrado. "

Difuzija se lahko pojavi v trdnih snoveh, tekočinah ali plinih. Seveda difuzija poteka najhitreje v plinih in najpočasneje v trdnih snoveh. Na stopnje difuzije lahko vpliva tudi več dejavnikov. Povečana temperatura na primer pospeši hitrost difuzije. Podobno lahko delci, ki se razpršijo, in material, v katerega se razprši, vplivajo na hitrost difuzije. Upoštevajte, na primer, da se polarne molekule hitreje difundirajo v polarnih medijih, kot je voda, medtem ko se nepolarne molekule ne mešajo in zato težko difundirajo v vodi. Gostota materiala je še en dejavnik, ki vpliva na hitrost difuzije. Razumljivo je, da težji plini dišijo veliko počasneje kot njihovi lažji kolegi. Poleg tega lahko velikost območja interakcije vpliva na hitrost difuzije, kar dokazuje aroma domače kuhinje, ki se razprši po majhnem območju hitreje kot na večjem območju.

Če difuzija poteka proti koncentracijskemu gradientu, mora obstajati neka oblika energije, ki olajša difuzijo. Razmislite, kako lahko voda, ogljikov dioksid in kisik zlahka prehajajo celične membrane s pasivno difuzijo (ali osmozo v primeru vode). Če pa mora skozi celično membrano preiti velika, v lipidih topna molekula, je potreben aktiven transport, kar je kjer vstopi visokoenergijska molekula adenozin trifosfata (ATP), da olajša difuzijo skozi celične membrane.