Dintre numeroasele fenomene din fizică, procesul de difuzie este unul dintre cele mai simple și mai înțelese. La urma urmei, în fiecare dimineață, pregătindu-se un ceai sau cafea parfumată, o persoană are ocazia să observe această reacție în practică. Să aflăm mai multe despre acest proces și despre condițiile pentru apariția lui în diferite stări agregate.
Ce este difuzia
Acest cuvânt se referă la pătrunderea moleculelor sau atomilor unei substanțe între unități structurale similare ale alteia. În acest caz, concentrația de compuși penetranți este nivelată.
Acest proces a fost descris pentru prima dată în detaliu de omul de știință german Adolf Fick în 1855
Numele acestui termen a fost format din substantivul verbal latin diffusio (interacțiune, dispersie, distribuție).
Difuzie într-un lichid
Procesul luat în considerare poate avea loc cu substanțe în toate cele trei stări de agregare: gazos, lichid și solid. Pentru exemple practice în acest sens, privițibucătărie.
Boșul fiert la aragaz este unul dintre ele. Sub influența temperaturii, moleculele de glucozină betanină (o substanță datorită căreia sfecla are o culoare stacojie atât de bogată) reacționează uniform cu moleculele de apă, dându-i o nuanță unică de visiniu. Acest caz este un exemplu de difuzie în lichide.
Pe lângă borș, acest proces poate fi văzut și într-un pahar de ceai sau cafea. Ambele băuturi au o nuanță atât de uniformă și bogată datorită faptului că frunzele de ceai sau particulele de cafea, dizolvate în apă, se răspândesc uniform între moleculele sale, colorându-le. Acțiunea tuturor băuturilor instant populare din anii 90 este construită pe același principiu: Yupi, Invite, Zuko.
Interpenetrarea gazelor
Continuând să căutăm în continuare manifestări ale procesului în cauză în bucătărie, merită să adulmeci și să te bucuri de aroma plăcută ce emană dintr-un buchet de flori proaspete de pe masa de sufragerie. De ce se întâmplă asta?
Atomii și moleculele purtătoare de miros sunt în mișcare activă și, ca urmare, sunt amestecate cu particulele aflate deja în aer și sunt dispersate destul de uniform în volumul camerei.
Aceasta este o manifestare a difuziei în gaze. Este de remarcat faptul că tocmai inhalarea de aer aparține procesului în cauză, precum și mirosul apetisant de borș proaspăt gătit din bucătărie.
Difuzie în solide
Masa de bucătărie cu flori este acoperită cu o față de masă galben strălucitor. Ea a primit o nuanță similară datorităcapacitatea difuziei de a trece prin solide.
Procesul de a conferi pânzei o nuanță uniformă are loc în mai multe etape, după cum urmează.
- Particule de pigment galben difuzate în rezervorul de cerneală spre materialul fibros.
- Au fost apoi absorbite de suprafața exterioară a țesăturii vopsite.
- Următorul pas a fost din nou difuzarea vopselei, dar de data aceasta în fibrele rețelei.
- În final, materialul a fixat particulele de pigment, devenind astfel colorat.
Difuzia gazelor în metale
De obicei, vorbind despre acest proces, luăm în considerare interacțiunea substanțelor în aceeași stare de agregare. De exemplu, difuzia în solide, solide. Pentru a demonstra acest fenomen, se efectuează un experiment cu două plăci metalice presate una pe ceal altă (aur și plumb). Întrepătrunderea moleculelor lor durează destul de mult (un milimetru în cinci ani). Acest proces este folosit pentru a face bijuterii neobișnuite.
Totuși, compușii în diferite stări agregate sunt, de asemenea, capabili să se difuzeze. De exemplu, există difuzie de gaze în solide.
În timpul experimentelor s-a dovedit că un astfel de proces are loc în stare atomică. Pentru a-l activa, de regulă, aveți nevoie de o creștere semnificativă a temperaturii și presiunii.
Un exemplu de astfel de difuzie gazoasă în solide este coroziunea hidrogenului. Se manifestă în situaţiile în careAtomii de hidrogen (Н2) care au apărut în cursul unei reacții chimice sub influența temperaturilor ridicate (de la 200 la 650 de grade Celsius) pătrund între particulele structurale ale metalului.
Pe lângă hidrogen, difuzia oxigenului și a altor gaze poate avea loc și în solide. Acest proces, insesizabil pentru ochi, dăunează mult, deoarece structurile metalice se pot prăbuși din cauza lui.
Difuzia lichidelor în metale
Cu toate acestea, nu numai moleculele de gaz pot pătrunde în solide, ci și în lichide. Ca și în cazul hidrogenului, cel mai adesea acest proces duce la coroziune (când vine vorba de metale).
Un exemplu clasic de difuzie lichidă în solide este coroziunea metalelor sub influența apei (H2O) sau a soluțiilor de electroliți. Pentru majoritatea, acest proces este mai familiar sub numele de ruginire. Spre deosebire de coroziunea cu hidrogen, în practică aceasta trebuie întâlnită mult mai des.
Condiții pentru accelerarea difuziei. Coeficientul de difuzie
După ce s-a ocupat de substanțele în care poate avea loc procesul în cauză, merită să aflați despre condițiile de apariție a acestuia.
În primul rând, viteza de difuzie depinde de starea agregată a substanțelor care interacționează. Cu cât densitatea materialului în care are loc reacția este mai mare, cu atât viteza acestuia este mai lentă.
În acest sens, difuzia în lichide și gaze va fi întotdeauna mai activă decât în solide.
De exemplu, dacă cristalelepermanganat de potasiu KMnO4 (permanganat de potasiu) aruncați în apă, îi vor da o culoare frumoasă de zmeură în câteva minute Culoare. Totuși, dacă presărați cristale de KMnO4 pe o bucată de gheață și puneți totul la congelator, după câteva ore, permanganatul de potasiu va nu se poate colora complet H înghețat 2O.
Din exemplul anterior, se poate trage încă o concluzie despre condițiile de difuzie. Pe lângă starea de agregare, temperatura afectează și rata de întrepătrundere a particulelor.
Pentru a lua în considerare dependența procesului luat în considerare de acesta, merită să învățați despre un astfel de concept precum coeficientul de difuzie. Acesta este numele caracteristicii cantitative a vitezei sale.
În majoritatea formulelor, este notat cu litera latină majusculă D, iar în sistemul SI se măsoară în metri pătrați pe secundă (m² / s), uneori în centimetri pe secundă (cm2 /m).
Coeficientul de difuzie este egal cu cantitatea de materie împrăștiată printr-o unitate de suprafață pe o unitate de timp, cu condiția ca diferența de densitate pe ambele suprafețe (situate la o distanță egală cu o unitate de lungime) să fie egală cu unu. Criteriile care determină D sunt proprietățile substanței în care are loc însuși procesul de împrăștiere a particulelor și tipul acestora.
Dependența coeficientului de temperatură poate fi descrisă folosind ecuația Arrhenius: D=D0exp(-E/TR).
În formula considerată E este energia minimă necesară pentru activarea procesului; T - temperatura (măsurată în Kelvin, nu Celsius); R-constanta de gaz caracteristică unui gaz ideal.
În plus față de toate cele de mai sus, viteza de difuzie în solide, lichide în gaze este afectată de presiune și radiație (inductivă sau de în altă frecvență). În plus, mult depinde de prezența unei substanțe catalitice, adesea aceasta acționând ca un declanșator pentru începerea dispersiei active a particulelor.
Ecuația de difuzie
Acest fenomen este o formă particulară a ecuației cu diferențe parțiale.
Scopul său este de a afla dependența concentrației unei substanțe de mărimea și coordonatele spațiului (în care difuzează), precum și de timp. În acest caz, coeficientul dat caracterizează permeabilitatea mediului pentru reacție.
De cele mai multe ori, ecuația de difuzie se scrie astfel: ∂φ (r, t)/∂t=∇ x [D(φ, r) ∇ φ (r, t)].
În ea φ (t și r) este densitatea substanței de împrăștiere în punctul r la momentul t. D (φ, r) - coeficient de difuzie generalizat la densitatea φ în punctul r.
∇ - operator diferenţial vectorial ale cărui componente sunt derivate parţiale în coordonate.
Când coeficientul de difuzie este dependent de densitate, ecuația este neliniară. Când nu - liniar.
Având în vedere definiția difuziei și caracteristicile acestui proces în diferite medii, se poate observa că are atât laturi pozitive, cât și negative.
