Дифузия в течност: условия на процеса, примери. Експерименти с течности

За начало течността е междинно агрегатно състояние. При критична точка на кипене, тя е подобна на газовете, а при ниски температури се проявяват характеристики, подобни на твърдо. Течността няма идеален модел, който значително усложнява описанието на нейните равновесни термодинамични свойства, точката на замръзване, вискозитета, дифузията, топлинната проводимост, повърхностното напрежение, ентропията, енталпията.

дефиниция

Какво представлява дифузията? Това разпространение, разпространение, движение на частици от средата, което води до трансфера на материята, установяването на равновесни концентрации. При липса на външни влияния този процес се определя от топлинното движение на частиците. В този случай дифузионният процес е свързан с концентрацията в пряко пропорционално отношение. Дифузионният поток ще се различава по подобен начин градиент на концентрация.

вид

Ако дифузията в течност възниква при промяна на температурата, то се нарича термична дифузия в електрическото поле чрез електродифузия.

Процесът на движение на частици с големи размери в течност или газ се извършва съгласно законите на брауново движение.

Характеристики на просмукване

Дифузията в газовете, течностите и твърдите вещества се извършва при различни темпове. Поради разликите в естеството на топлинното движение на частиците в различни среди, максималната скорост на процеса е в газове, а минималната стойност е в твърди вещества.

Траекторията на движението на частицата е прекъсната линия, тъй като посоката и скоростта се променят периодично. Поради разстройството на движението се наблюдава постепенно отстраняване на частицата от нейното първоначално положение. Изместването й по права линия е много по-кратко от пътя, който се извършва по счупена траектория.

Закона на Фък

Дифузията в течност се подчинява на двата закона Fick:

• плътността на дифузионния поток е пряко пропорционална на концентрацията с коефициента на дифузия;
• скоростта на промяна в плътността на дифузионния поток е директно пропорционална на скоростта на промяна в концентрацията и има обратна посока.

Дифузията в течност се характеризира със скокове на молекули от едно равновесно положение до друго. Всеки такъв скок се наблюдава, когато енергията се съобщава на молекулата в обем, достатъчен да прекъсне връзката с други частици. Средна стойност скокът не надвишава разстоянието между молекулите.

Като се замисляме за това, което е дифузия в течност, ние отбелязваме, че процесът зависи от температурата. С увеличаването си течната структура "се разхлабва", което води до рязко увеличаване на броя на скоковете на единица време.

Дифузията в газовете, течностите и твърдите вещества има някои отличителни характеристики. Например, в твърдите части механизмът е свързан с движението на атомите в кристалната решетка.

Характеристики на този феномен

Дифузията в течност е от практически интерес поради факта, че тя е придружена от изравняване на концентрацията на веществото в първоначално нехомогенната среда. От места, които имат висока концентрация на частици, се извършва много повече.

експерименти

Експериментите с течности показват, че дифузията е от особено значение в химическата кинетика. По време на хода на химичния процес на повърхността на реагентите или катализатора този процес помага да се определи степента на отстраняване на реакционните продукти и добавянето на първоначалните реагенти.

Какво обяснява дифузията в течностите? Молекулите на разтворителя могат да проникнат през полупрозрачни мембрани, което води до осмотично налягане. Това явление е намерило приложение в химични и физични методи за разделяне на веществата.

Биологични системи

В този случай дифузионните модели могат да бъдат разгледани чрез примера на приемането на въздух в белите дробове, абсорбцията от червата в кръвта на храносмилателните продукти и абсорбирането на минералните елементи от кореновите косми. Дифузията на йони се появява по време на генерирането на биоелектрически импулси от мускулните и нервните клетки.

Физическият фактор, който влияе върху селективността на натрупване в клетките на организма на определени елементи, е разликата в скоростта на проникване на йони през клетъчните мембрани. Този процес може да бъде изразен чрез закона на Fick, като се замени стойността на коефициента на дифузия с индекса на пропускливостта на мембраната и вместо градиента на концентрацията да се използва разликата от стойностите от двете страни на мембраната. С дифузионното проникване на вода и газове в клетката, осмотичните индекси на налягането се различават извън клетката и вътре в нея.

Анализирайки каква дифузия зависи, ние отбелязваме, че няколко вида на този процес са отделени. Една проста форма е свързана с свободния трансфер на йони и молекули към градиента на техния електрохимичен потенциал. Например, подобен вариант е подходящ за тези вещества, в които молекулите имат малки размери, например метилов алкохол, вода.

Ограничената версия предполага слабо прехвърляне на материята. Например дори малки частици не могат да проникнат в клетката.

Страници с история

Дифузията е открита по време на разцвета на древногръцката култура. Демокрит и Анаксогория бяха убедени, че всяко вещество се състои от атоми. Разнообразието от вещества, които са общи в природата, обясняват те със съединенията на всеки отделен атом. Те предполагаха, че тези частици могат да се смесват, образувайки нови вещества. Сред създателите на молекулярно-кинетичната теория, която обясняваше механизма на разпространение, специалната роля играе Михаил Ломоносов. Той получи определение на молекулата, атома, обясни механизма на разтваряне.

експерименти

Експериментът със захарта дава възможност да се разберат всички характеристики на дифузията. Ако парче захар се поставя в студен чай, постепенно се формира гъст сироп на дъното на чашата. Той се вижда с невъоръжено око. След известно време сиропът ще бъде равномерно разпределен в целия обем на течността и ще престане да бъде видим. Този процес протича спонтанно и не включва смесване на компонентите на разтвора. По същия начин, ароматът на парфюма се разпространява в цялата стая.

Горните експерименти показват, че дифузията е спонтанен процес на проникване на молекули на едно вещество в друго. Разпределението на материята се извършва във всички посоки, независимо от наличието на гравитация. Този процес е пряко потвърждение на постоянното движение на молекулите на материята.

Така, в горния пример се провежда дифузията на захарните и водните молекули, която се придружава от равномерно разпределение на молекулите на органичната материя в целия обем на течността.

Експериментите дават възможност да се открие дифузия не само в течности, но и в газообразни вещества. Например, можете да инсталирате контейнер с етерни двойки на везните. Постепенно чашите ще се изравнят, а чашата с етера ще бъде по-тежка. Каква е причината за това явление?

С течение на времето етерните молекули се смесват с частиците на въздуха и в стаята започва да се усеща специфична миризма. В хода на физиката на средното училище се разглежда експеримент, при който учителят разтваря зърното калиев перманганат във водата. На пръв поглед се вижда ясна траектория на движението на зърното, но постепенно цялото решение придобива равномерна сянка. Въз основа на експеримента учителят обяснява характеристиките на разпространението.

За да идентифицирате факторите, които влияят на скоростта на процеса в течностите, можете да използвате вода при различни температури. В гореща течност процесът на взаимно смесване на молекули се наблюдава много по-бързо и следователно има пряка връзка между стойността на температурата и скоростта на дифузия.

заключение

Експерименти, проведени с газове, течности и твърда храна ни позволи да формулираме законите на физиката, да установим връзката между отделните величини.

В резултат на експериментите беше създаден механизъм за взаимно проникване на частици от едно вещество в друго, хаотичното естество на тяхното движение бе доказано. Установено е експериментално, че дифузията в газообразните вещества се извършва най-бързо. Този процес е от голямо значение за дивата природа, той се използва в науката и технологиите.

Благодарение на този феномен се запазва хомогенният състав на земната атмосфера. В противен случай ще се наблюдава стратификация на тропосферата в отделни газообразни вещества и тежкият въглероден диоксид, негоден за дишане, ще бъде най-близо до повърхността на нашата планета. Какво ще доведе до това? Живото естество просто би престанало да съществува.

Ролята на разпространението в растителния свят също е страхотна. Зелената корона на дърветата може да бъде обяснена чрез дифузия през повърхността на листата. В резултат на това, не само дишането, но и храненето на дървото. Понастоящем в селското стопанство се прилага листно покритие на храсти и дървета, което включва пръскането на короната със специални химични съединения.

По време на разпространението растението получава хранителни вещества от почвата. Физиологичните процеси, които се срещат в живите организми, също са свързани с това явление. Например, соленият баланс е невъзможен без дифузия. Такива процеси играят огромна роля при доставянето на кислород в езерата и реките. Газът попада в дълбините на резервоара точно чрез дифузия. Ако такъв процес липсва, животът в резервоара би престанал да съществува.

Приемането на лекарства, които позволяват на човек да се предпази от патогени на различни заболявания и да подобри тяхното благосъстояние, също се основава на дифузия. Това явление се използва при заваряване на метали, получаване на захарен сок от техните чипс цвекло, приготвяне на сладкарски изделия. Трудно е да се намери такъв клон на съвременната индустрия, където се прилага дифузия.