Difüzyon, parçacık hareketi nedeniyle gerçekleşir. Gaz molekülleri gibi rastgele hareket eden parçacıklar, belirli bir alanda eşit olarak dağılıncaya kadar Brownian hareketini izleyerek birbirlerine çarparlar. O halde difüzyon, dengeye ulaşılana kadar moleküllerin yüksek konsantrasyonlu bir alandan düşük konsantrasyonlu alana akışıdır. Kısaca difüzyon, belirli bir boşluk veya ikinci bir madde boyunca dağılan bir gaz, sıvı veya katıyı tanımlar. Difüzyon örnekleri, bir odaya yayılan bir parfüm aromasını veya bir bardak su boyunca dağılan bir damla yeşil gıda boyasını içerir. Difüzyon hızlarını hesaplamanın birkaç yolu vardır.
TL; DR (Çok Uzun; Okumadım)
"Oran" teriminin zaman içinde bir miktardaki değişimi ifade ettiğini unutmayın.
Graham'ın Difüzyon Yasası
19. yüzyılın başlarında, İskoç kimyager Thomas Graham (1805-1869), şimdi kendi adını taşıyan nicel ilişkiyi keşfetti. Graham yasası, iki gaz halindeki maddenin difüzyon hızının, molar kütlelerinin karekökü ile ters orantılı olduğunu belirtir. Bu ilişkiye, aynı sıcaklıkta bulunan tüm gazların, Gazların Kinetik Teorisinde anlaşıldığı gibi aynı ortalama kinetik enerjiyi gösterdiği göz önüne alındığında ulaşılmıştır. Başka bir deyişle, Graham yasası, aynı sıcaklıkta olduklarında aynı ortalama kinetik enerjiye sahip gaz halindeki moleküllerin doğrudan bir sonucudur. Graham yasası için difüzyon, gazların karışmasını tanımlar ve difüzyon hızı, bu karışımın hızıdır. Efüzyonun özel bir difüzyon durumu olduğu için Graham'ın Difüzyon Yasasına Graham'ın Efüzyon Yasası da denir. Efüzyon, gaz halindeki moleküllerin küçük bir delikten bir vakuma, boşaltılmış bir alana veya odaya kaçması olgusudur. Efüzyon hızı, bu gazın o vakuma, boşaltılan alana veya odaya aktarılma hızını ölçer. Dolayısıyla, bir kelime probleminde difüzyon hızını veya efüzyon oranını hesaplamanın bir yolu, hesaplamaları aşağıdakilere dayalı olarak yapmaktır. Gazların molar kütleleri ile bunların difüzyonu veya efüzyonu arasındaki ilişkiyi ifade eden Graham yasası oranlar.
Fick'in Difüzyon Kanunları
19. yüzyılın ortalarında, Almanya doğumlu doktor ve fizyolog Adolf Fick (1829-1901), sıvı bir zardan yayılan bir gazın davranışını yöneten bir dizi yasa formüle etti. Fick'in Birinci Difüzyon Yasası, akışın veya belirli bir zaman diliminde belirli bir alandaki parçacıkların net hareketinin, gradyanın dikliği ile doğru orantılı olduğunu belirtir. Fick'in Birinci Yasası şu şekilde yazılabilir:
akı = -D(dC ÷ dx)
burada (D) difüzyon katsayısına atıfta bulunur ve (dC/dx) gradyandır (ve matematiğin bir türevidir). Dolayısıyla Fick'in Birinci Yasası temelde, Brown hareketinden kaynaklanan rastgele parçacık hareketinin, parçacıkların sürüklenmesine veya dağılmasına yol açtığını belirtir. yüksek konsantrasyonlu bölgelerden düşük konsantrasyonlara doğru parçacıklar - ve bu sürüklenme hızı veya difüzyon hızı, yoğunluk gradyanı, ancak bu gradyanın tersi yönde (difüzyonun önündeki negatif işareti açıklar) sabit). Fick'in Birinci Yayılma Yasası ne kadar akı olduğunu açıklarken, aslında Fick'in İkinci Yayılma Yasasıdır. Difüzyon hızını daha fazla tanımlayan difüzyon ve kısmi diferansiyel şeklini alır. denklem. Fick'in İkinci Yasası şu formülle tanımlanır:
T = (1 ÷ [2D])x2
bu, yayılma süresinin x uzaklığının karesi ile arttığı anlamına gelir. Esasen, Fick'in Birinci ve İkinci Difüzyon Yasaları, konsantrasyon gradyanlarının difüzyon oranlarını nasıl etkilediği hakkında bilgi sağlar. İlginçtir ki, Washington Üniversitesi hatırlamaya yardımcı olmak için bir anımsatıcı olarak bir ditty tasarladı. Fick denklemleri difüzyon hızının hesaplanmasına nasıl yardımcı olur: “Fick, bir molekülün ne kadar hızlı dağınık. Delta P çarpı A çarpı k bölü D kullanılacak yasadır…. Basınç farkı, yüzey alanı ve k sabiti birlikte çarpılır. Kesin difüzyon hızını belirlemek için difüzyon bariyerine bölünürler."
Difüzyon Hızları Hakkında Diğer İlginç Gerçekler
Difüzyon katılarda, sıvılarda veya gazlarda meydana gelebilir. Elbette difüzyon gazlarda en hızlı, katılarda en yavaş gerçekleşir. Difüzyon hızları aynı şekilde çeşitli faktörlerden etkilenebilir. Örneğin artan sıcaklık, difüzyon oranlarını hızlandırır. Benzer şekilde, yayılan partikül ve içine yayıldığı malzeme, difüzyon oranlarını etkileyebilir. Örneğin, polar moleküller su gibi polar ortamlarda daha hızlı yayılırken, polar olmayan moleküller karışmaz ve bu nedenle suda zor dağılırlar. Malzemenin yoğunluğu difüzyon hızlarını etkileyen bir diğer faktördür. Anlaşılır bir şekilde, daha ağır gazlar, daha hafif emsallerine kıyasla çok daha yavaş yayılır. Ayrıca, etkileşim alanının boyutu yayılma oranlarını etkileyebilir, bu da ev yemeklerinin aromasının küçük bir alana daha geniş bir alana göre daha hızlı yayılmasıyla kanıtlanır.
Ayrıca, difüzyon bir konsantrasyon gradyanına karşı gerçekleşirse, difüzyonu kolaylaştıran bir tür enerji olmalıdır. Su, karbondioksit ve oksijenin pasif difüzyon (veya su durumunda ozmoz) yoluyla hücre zarlarını nasıl kolayca geçebileceğini düşünün. Ancak, büyük, yağda çözünmeyen bir molekülün hücre zarından geçmesi gerekiyorsa, aktif taşıma gereklidir. burada yüksek enerjili adenosin trifosfat (ATP) molekülü, hücresel membranlar boyunca difüzyonu kolaylaştırmak için devreye girer.