Якщо ви коли-небудь спостерігали, як пара зливається із шторму і зникає з поля зору, коли вона піднімається в повітря завдяки власному теплу, ви бачили дифузію молекул газу в дії.
Коли ви розпорошуєте освіжувач повітря в приміщенні, а запах у зоні, куди ви розпорошували, поступово слабшає, це результат різні молекули газу незмінно знаходять свій шлях до місць у місцевій атмосфері, які вже мали менше їхніх "однолітків" досягли.
Дифузія - це один процес, за допомогою якого молекули рухаються через простір. Іноді цей простір - це повітря, іноді - рідина, а в інший час він локалізується в зоні біологічної клітинної мембрани. Якби не різні форми дифузії, насправді клітини вашого тіла були б не в змозі виконувати свою роботу і швидко задихалися б і голодували.
Що таке дифузія в хімії?
Дифузія визначається як пасивний рух розчиненої речовини (наприклад, молекули вуглекислого газу) через проникну мембрану. Слово "пасивний"робить багато роботи в цьому реченні; це означає, що в систему не потрібно вкладати енергію для залучення розчиненої речовини через мембрану до іншої сторони.
Що таке проникна мембрана? Це назва бар’єру (зазвичай біологічного), який дозволяє молекулам проходити через певні умови. При дифузії енергія забезпечується градієнтом концентрації. Це пов’язано з тим, що речовина має тенденцію рухатися в будь-якому напрямку, доки речовина рівномірно не розподіляється по всьому простору, який обмежує його та його молекулярні когорти.
Фактори, що впливають на швидкість дифузії
На швидкість дифузії речовини впливає безліч факторів. Зверніть увагу, що дифузія, природно, триває до досягнення рівноваги, і речовина рівномірно розподіляється по всьому середовищу. Також пам’ятайте, що у суміші речовин кожна з них має свій градієнт концентрації, на який інші не впливають градієнти посередині (хоча присутність цих різних молекул впливає на їхні індивідуальні рухи крізь просвіт скупчення).
Сила градієнта концентрації: Як ви могли очікувати, чим більша різниця в концентрації в плазматичній мембрані, тим швидше розчинена речовина буде дифундувати по ній. З наближенням рівноваги швидкість дифузії сповільнюється.
Маса молекул: Легші молекули, такі як СН4(метан), рухаються в середньому швидше, ніж більш масивні, такі як довгі сегменти нуклеїнових кислот (наприклад, ДНК).
Площа і товщина мембрани: Зі збільшенням площі мембрани збільшується швидкість дифузії. Але збільшення товщини уповільнює дифузію. Подумайте про вплив на транспортний потік шосе, додавши до автомагістралі більше платних доріг, не збільшуючи рух (збільшена "площа"); тоді розглянемо ефект від непотрібного перетворення кожної вузької смуги проїзду на півмилі завдовжки (збільшена "товщина").
Температура: Молекули, як практично все інше, про що ви можете подумати, як правило, дифундують швидше, як температура збільшується, оскільки це збільшує випадкове зіткнення між молекулами і збільшує швидкість дифузія.
Розчинена полярність: Неполярні або розчинний у ліпідах матеріали легше проходять через плазматичні мембрани, ніж полярні, тобто матеріали, що мають асиметричний розподіл заряду по молекулах без чистого електричного заряду.
Щільність розчинника: У міру збільшення щільності рідини, в якій відбувається дифузія, дифузія сповільнюється. Це одна з причин, що зневоднення викликає проблеми; товстіша клітинна цитоплазма (клітинна внутрішність) ускладнює пасивне переміщення життєво важливих молекул до своїх ферментативних та інших напрямків.
Закон Грехема: Коли газ розчиняється в рідині, відносна швидкість дифузії даного газу становить безпосередньо пропорційна його розчинності в цій рідині, але обернено пропорційна квадратному кореню його молярної маси. В організмі плазми крові діоксид вуглецю трохи важчий за газ кисню, але його розчинність у 22 рази більша, що дає йому в 19 разів більше швидкості дифузії кисню в цьому режимі.
Відстань шляху розчиненої речовини: Знову ж таки, як можна здогадатися, коротші шляхи подорожі передбачають більш швидкі темпи молекулярної дифузії.