Om du någonsin har sett ånga stiga upp från en stormflöde och försvinna ur sikte när den stiger upp i luften på grund av sin egen värme, har du sett diffusionen av gasmolekyler i aktion.
När du sprutar luftfräschare in i ett rum och doften i det område där du sprayade blir svagare är detta resultatet av olika gasmolekyler hittar alltid vägen mot platser i den lokala atmosfären som färre av deras "kamrater" redan har nådde.
Diffusion är en process genom vilken molekyler rör sig genom rymden. Ibland är detta utrymme luft, ibland är det flytande och vid andra tillfällen är det lokaliserat till området för ett biologiskt cellmembran. Om det inte var för olika former av diffusion skulle cellerna i din kropp faktiskt inte kunna göra sina jobb och snabbt kvävas och svälter.
Vad är diffusion i kemi?
Diffusion definieras som passiv rörelse av en löst substans (såsom en koldioxidmolekyl) över ett permeabelt membran. Ordet "passiv"gör mycket arbete i den här meningen; det betyder att ingen energi behöver läggas in i systemet för att täta upp lösningen över membranet till andra sidan.
Vad är ett permeabelt membran? Detta är ett namn för en barriär (vanligtvis biologisk) som gör att molekyler kan passera genom under vissa förhållanden. Med diffusion tillförs energin av koncentrationsgradienten. Detta beror på att ett ämne tenderar att röra sig i vilken riktning det kan tills ämnet är jämnt fördelat i vilket utrymme som helst som begränsar det och dess molekylära kohorter.
Faktorer som påverkar diffusionshastighet
Diffusionshastigheten för ett ämne påverkas av en mängd faktorer. Observera att diffusionen naturligt fortsätter tills jämvikt uppnås och ämnet fördelas jämnt över hela mediet. Tänk också på att i en blandning av ämnen har var och en sin egen koncentrationsgradient som inte påverkas av andra gradienter i dess mitt (även om närvaron av dessa olika molekyler påverkar deras individuella rörelser genom rena trängsel).
Koncentrationsgradientens styrka: Som du kan förvänta dig, ju större skillnad i koncentration över ett plasmamembran desto snabbare diffunderar löst ämne över det. När jämvikten närmar sig sänks diffusionshastigheten.
Molekylernas massa: Lättare molekyler, såsom CH4(metan), röra sig snabbare i genomsnitt än mer massiva, såsom långa segment av nukleinsyror (t.ex. DNA).
Membranets yta och tjocklek: När området på membranet ökar ökar diffusionshastigheten. Men ökande tjocklek sänker diffusionen. Tänk på effekten på motorvägsflödet av att lägga till fler vägar till en motorväg utan att öka trafiken (ökat "område"); överväga sedan effekten av att i onödan göra varje smal vägtullfält en halv mil lång (ökad "tjocklek").
Temperatur: Molekyler, som praktiskt taget allt annat du kan tänka dig, tenderar att diffundera snabbare som temperatur ökar, eftersom detta ökar den slumpmässiga kollisionen mellan molekyler och ökar hastigheten på diffusion.
Lös polaritet: Icke-polär eller lipidlöslig material passerar lättare genom plasmamembran än polära material, dvs. material som har asymmetriska laddningsfördelningar över molekyler utan elektrisk nettoladdning.
Lösningsmedlets densitet: Eftersom densiteten hos vätskan där diffusion sker ökar, sänks diffusionen. Detta är en anledning till att uttorkning orsakar problem; en tjockare cellcytoplasma (cellinre) gör det svårare för vitala molekyler att passera passivt mot deras enzymatiska och andra destinationer.
Grahams lag: När en gas upplöses i en vätska är den relativa diffusionshastigheten för en given gas direkt proportionell till dess löslighet i den vätskan, men omvänt proportionell mot kvadratroten av dess molära massa. I människokroppen i blodplasma är koldioxid något tyngre än syrgas, men dess löslighet är 22 gånger större, vilket ger den 19 gånger diffusionshastigheten för syre i denna inställning.
Avstånd av löst väg: Återigen, som du kanske gissar, innebär kortare resvägar snabbare molekylär diffusion.