Скорость диффузии

Скорость диффузии

Скорость диффузии

Диффузия относится к наиболее простым явлениям, которые изучаются в рамках курса физики. Этот процесс можно представить на бытовом ежедневном уровне.

Диффузия представляет собой физический процесс взаимного проникновения атомов и молекул одного вещества между такими же структурными элементами другого вещества.

Итогом этого процесса становится выравнивание уровня концентрации в проникающих соединениях.

Диффузию или смешивание можно видеть каждое утро на собственной кухне, когда происходит приготовление чая, кофе или иных напитков, в состав которых входит несколько основных компонентов.

Подобный процесс первый раз смог научно описать Адольф Фик в середине 19 века. Он дал ему оригинальное название, которое переводится с латинского языка как взаимодействие или распространение.

Скорость диффузии зависит от нескольких факторов:

  • температуры тела;
  • агрегатного состояния исследуемого вещества.

В различных газах, где существуют очень большие расстояние между молекулами, скорость диффузии будет самой большой. В жидкостях, где расстояние между молекулами заметно меньше, скорость также уменьшает свои показатели.

Самая маленькая скорость диффузии отмечается в твердых телах, поскольку в молекулярных связях наблюдается строгий порядок. Атомы и молекулы сами совершают незначительные колебательные движения на одном месте.

Скорость протекания диффузии увеличивается при росте окружающей температуры.

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Закон Фика

Замечание 1

Скорость диффузии принято измерять количеством вещества, которое переносится за единицу времени. Все взаимодействия должны осуществляться через площадь поперечного сечения раствора.

Основной формулой скорости диффузии является:

$\frac{dm}{dt}=-DC\frac{dC}{dx}$, где:

  • $D$ — это коэффициент пропорциональности,
  • $S$ — площадь поверхности, а знак «-» обозначает, что диффузия идет из области большей концентрации в меньшую.

Такую формулу представил в виде математического описания Фик.

Согласно ей, скорость диффузии прямо пропорциональна градиенту концентрации и площади, через которую осуществляется процесс диффузии. Коэффициент пропорциональности определяет диффузию вещества.

Известный физик Альберт Эйнштейн вывел уравнения для коэффициента диффузии:

$D=RT/NA \cdot 1/6\pi\etaŋr$, где:

  • $R$- это универсальная газовая постоянная,
  • $T$- абсолютная температура,
  • $r$- радиус диффундирующих частиц,
  • $D$- коэффициент диффузии,
  • $ŋ$- вязкость среды.

Из этих уравнений следует, что скорость диффузии будет возрастать:

  • при повышении температуры;
  • при повышении градиента концентрации.

Скорость диффузии уменьшается:

  • при увеличении вязкости растворителя;
  • при увеличении размера диффундирующих частиц.

Если молярная масса увеличивается, тогда коэффициент диффузии уменьшается. В этом случае скорость диффузии также уменьшается.

Ускорение диффузии

Существуют различные условия, которые способствуют ускорению протекания диффузии. Быстрота диффузии зависит от агрегатного состояния исследуемого вещества. Большая плотность материала замедляет химическую реакцию.

На скорость взаимодействия молекул влияет температурный режим. Количественной характеристикой скорости диффузии является коэффициент. В системе измерений СИ его обозначают в виде латинской большой буквы D.

Он измеряется в квадратных сантиметрах или метрах на секунду времени.

Определение 1

Коэффициент диффузии равняется количеству вещества, которое распределяется среди другого вещества через определенную единицу поверхности. Взаимодействие должно осуществляться на протяжении единицы времени. Для эффектного решения задачи необходимо добиться условия, когда разность плотностей на обеих поверхностях будет равна единице.

Также на скорость диффузии в твердых телах, жидкости в газах влияет давление и излучение. Излучение может быть разных видов, в том числе индукционное, а также высокочастотное. Диффузия начинается при воздействии определенного вещества-катализатора. Они часто выступают в роли пускового механизма для возникновения стабильного процесса рассеивания частиц.

При помощи уравнения Аррениуса описывают зависимость коэффициента от температуры. Оно выглядит следующим образом:

$D = D0exp(-E/TR)$, где:

  • $Т$ – абсолютная температура, которая измеряется в Кельвинах,
  • $E$ – минимально необходимая для диффузии энергия.

Формула позволяет больше понять о характерных чертах всего процесса диффузии и определяет скорость реакции.

Специальные методы диффузии

Сегодня практически нельзя применить обычные методы для определения молекулярного веса белков. Они обычно основаны на измерении:

  • упругости пара;
  • повышения температуры кипения;
  • понижения температуры замерзания растворов.

Для эффективного решения задачи применяются специальные методы, которые разработаны для исследования веществ с высокой молекулярной структурой. Они предполагают определение скорости диффузии или вязкости растворов.

Метод определения ориентации и формы пор по скорости диффузии основан на исследовании скоростей диализа. В мембране должна происходить в этот момент свободная диффузия.

Также для определения скорости диффузии натрия могут применяться различные радиоизотопы. Такой специальный метод применяется для решения поставленных задач в сфере минералогии и геологии.

Активно применяется метод диффузии, который основан на определении диффузии макромолекул в растворе. Он был разработан для полимерных материалов. Согласно методу, идет определение коэффициента диффузии, а затем по этим данным узнают среднемассовую молекулярную массу.

В настоящее время отсутствуют прямые методы определения скорости диффузии водорода в катализаторе. Для этого используется так называемый второй путь активации.

Для определения скорости принято использовать специальные приборы. Они отличаются по виду от поставленных практических и научных задач.

Источник: https://spravochnick.ru/fizika/skorost_diffuzii/

Причины диффузии: что является причиной понижения или увеличения скорости хаотического движения молекул и ее направленность

Скорость диффузии

Эти частицы настолько малы, что мы не в состоянии увидеть их невооруженным глазом, поэтому, все тела кажутся сплошными. Однако было доказано с помощью опытов, что тела состоят из малых частиц. Как оказалось, молекулы не стоят на месте, а постоянно находятся в беспорядочном движении.

Возникает вопрос: как это частички вещества могут находиться в непрерывном движении, если, например, стол сохраняет свою форму, и никакого движения не происходит?

Молекулы – мельчайшие частицы вещества

Стакан, чайник, карандаш – да любое твердое тело сохраняет свою форму неизменной. Как же может быть, что молекулы внутри этих тел двигаются? Это подтверждается наблюдениями и опытами.

Впервые такое предположение было высказано Робертом Броуном в 1827 г.

Как-то раз он разглядывал в капле воды под микроскопом споры растений. Внезапно Броун увидел, что мельчайшие твердые крупинки, которые едва можно было разглядеть в капле воды, непрерывно дрожат и передвигаются с места на место.

Он установил, что эти движения, никак не связаны ни с потоками в жидкости, ни с ее постепенным испарением, а присущи самим частичкам. Если проследить за одной частицей, то можно убедиться, что её движение совершенно хаотично и её траекторию невозможно предугадать.

Частицы, двигающиеся таким образом, стали называть броуновскими, да и само движение было названо броуновским.

Происходит это вот из-за чего: молекулы, беспорядочно двигаясь, постоянно ударяют по броуновским частицам. Это приводит к тому, что частица постоянно смещается в разные стороны.

При увеличении температуры молекулы начинают двигаться быстрее, соответственно, чаще ударяя броуновскую частицу, в результате чего эта частица тоже начинает двигаться быстрее.

Самих молекул не видно при использовании обычного микроскопа, поэтому создается впечатление, будто бы броуновские частицы движутся сами по себе. Понять это можно вот каким способом: если представить, что дети играют в огромный мяч, который толкают друг другу.

Стороннему наблюдателю, находящемуся на большом расстоянии будет казаться, что мяч двигается сам по себе, поскольку издалека детей видно не будет. Точно также и молекулы ударяют по броуновским частицам, заставляя их хаотически двигаться.

Именно тем, что молекулы постоянно находятся в движении, объясняется такое явление, как диффузия. Рассмотрим примеры диффузии. Например, это распространение запахов. Если открыть духи, то почти сразу можно почувствовать приятный запах. Также, если распылить какую-то едкую жидкость, немедленно можно почувствовать неприятный запах.

Каким же образом это происходит? Молекулы того или иного газа находятся в беспорядочном движении, как и молекулы воздуха.

Постепенно они начинают перемешиваться, то есть, молекулы данного газа проникают в пространство между молекулами воздуха, и наоборот.

Таким образом, через некоторое время часть молекул попадает в нос человеку, и он чувствует запах. Опираясь на бытовой опыт можно сделать вывод, что диффузия в газах происходит довольно быстро.

Тогда возникает вопрос: может ли диффузия происходить в жидкостях? Несомненно. В предыдущей теме был проведен опыт по окрашиванию воды.

Каким образом вода окрасилась? Когда краска попала в воду, молекулы краски начали проникать в пространство между молекулами воды, и наоборот. В итоге, вода равномерно окрасилась.

Можно отметить, что подобные явления окружают нас каждый день. Например, явлением диффузии является заварка чая или кофе.

Когда чай или кофе заливается кипятком, вода постепенно окрашивается. Важно отметить, что если вода недостаточно горячая, то и чай, и кофе будут плохо завариваться, значительно медленнее, чем обычно. Из этого следует вывод: повышение температуры способствует ускорению диффузии. И наоборот, понижение температуры замедляет диффузию.

Вопрос: в твердых телах может происходить диффузия? Припаркованная машина может стоять на асфальте, но при этом не перемешиваются же её шины с дорожным покрытием. Люди ходят в одежде, сидят на стуле и так далее, но никакого перемешивания не происходит. Не надо спешить с выводами.

Дело в том, что диффузия в твердых телах проходит очень медленно, поэтому ссылаться на повседневный опыт не стоит. Тем не менее, существует ряд успешных экспериментов, подтверждающих, что диффузия проходит и в твердых телах.

Например, если очень хорошо отполировать пластины свинца и золота и приложить их друг к другу, хорошенько придавив, то процесс диффузии будет происходить. Для того, чтобы свинец проник в золото всего на один миллиметр, понадобиться приблизительно 5 лет.

Другим примером является похожий эксперимент, который был проведен Уильямом Робертсом-Остином – английским металлургом XIX века.

Он использовал ту же идею: нанес слой золота на один из концов свинцового цилиндра. После этого он поместил цилиндр в печь, и продержал его там около десяти дней при температуре примерно 200 градусов Цельсия.

После этого Робертс-Остин разрезал цилиндр на тонкие диски, чтобы измерить, насколько золото проникло в свинец. Оказалось, что в том конце, где был чистый свинец, появилось вполне измеримое количество золота. И, наоборот, — в золото проник свинец.

Этот опыт, в сравнении с предыдущим, отлично демонстрирует, насколько сильно температура влияет на скорость протекания диффузии.

Основные выводы:

  1. Броуновское движение – это явление беспорядочного движения молекул.
  2. Диффузия – это явление, при котором происходит самопроизвольное взаимное проникновение молекул одного вещества между молекулами другого вещества.
  3. Диффузия довольно быстро протекает в газах и немного медленнее в жидкостях.
  4. В твердых телах диффузия протекает очень медленно.
  5. Диффузия происходит быстрее при более высокой температуре.

Источник:

Диффузия в газах, жидкостях и твердых телах

Вы когда-нибудь задавались вопросом: благодаря чему мы ощущаем приятные запахи, почему растворяется сахар в чае, каким образом происходит загрязнение воздуха и атмосферы? На все эти вопросы нам поможет ответить понятие «Диффузия».

Диффузия — это процесс проникновения молекул одного вещества между молекулами другого вещества. Основная причина диффузии: постоянное движение молекул. Возникает диффузия из-за стремления к равновесию.Диффузия происходит в трех средах: в газах, в жидкостях, в твердых телах.Диффузия в газах происходит быстрее всего, она занимает всего несколько секунд или минут.

Диффузия в жидкостях может занимать от нескольких минут до нескольких часов. Диффузия в твердых телах протекает с течением нескольких лет.

Но эти процессы можно ускорять с помощью повышения температуры или при внешнем воздействии.Явление диффузии есть в каждой аспекте нашей жизни: питание, дыхание животных и растений.

Также явление диффузии несет в себе и разрушающий для аспект: загрязнение природы.

Так что же такое диффузия? Диффузия — это процесс проникновения молекул одного вещества между молекулами другого вещества. Если говорить простым языком — это смешивание. Во время этого смешивания происходит взаимное проникновение молекул вещества между друг другом. Основная причина диффузии заключается в постоянном движении молекул.

При приготовлении какао, молекулы растворимого какао проникают в молекулы воды и наоборот.

Основная причина диффузии — постоянное движении молекул. В веществе есть области с высокой и низкой концентрацией частиц, поэтому они постоянно движутся из области с большой концентрацией к области, где концентрация частиц меньше. Это явление обусловлено стремлением к равновесию. Так как, частицы постоянно сталкиваются во время движения — происходит взаимное проникновение друг в друга.

В каждом агрегатном состоянии молекулы движутся с определённой скоростью. Диффузия может протекать в следующих агрегатных состояниях: газ, жидкость, твёрдое тело.

Ускоряется при повышении температуры

Чем выше температура вещества, тем быстрее движутся молекулы. Следовательно, процесс смешивания происходит быстрее при высоких температурах.

Ускоряется при внешнем воздействии

Протекание диффузии можно ускорить. Этим активно пользуется человек в бытовых и промышленных целях. Для того, чтобы два твердых металла превратить в сплав, человек воздействует на металлы внешне — применяя высокие температуры. Также для того, чтобы сахар быстрее растворился в воде, мы его размешиваем, тем самым совершая внешнее воздействие.

Уже в глубокой древности, за 2500 тыс. лет до нашего времени, зародилось представление, что все окружающие нас тела состоят из мельчайших частиц, недоступных непосредственному наблюдению. О наличии в природе явления диффузии предполагали еще в Древней Греции и Древнем Риме.

Свои предположения выдвигали такие философы и ученые, как Фалес Милетский, Анаксимен, Демокрит и др. Конечно, их высказывания были еще далеки от истины. Но спустя время, благодаря открытию броуновского движения, в дальнейшем удалось описать явление диффузии. Описал диффузию немецкий физик и физиолог Адольф Ойген Фик.

В 1855 году он описал явление диффузии и представил закон диффузии Фика.

Вы, наверняка, замечали, что различные запахи распространяются по воздуху очень быстро. А все потому, что процесс смешивания частиц в газах самый быстрый.

Частицы газа далеко удалены друг от друга. Между ними существуют большие промежутки. Сквозь эти промежутки легко перемещаются частицы другого вещества. Поэтому диффузия в газах протекает быстро.

Если диффузия в газах происходит быстро, чаще всего за считанные секунды, то диффузия в жидкостях занимает целые минуты, а иногда даже часы. Зачастую это зависит от температуры и плотности вещества.

Частицы в жидкости расположены так, что расстояние между соседними частицами меньше их размеров.

Примерами диффузии в жидкостях могут служить: смешивание воды и марганцовки, смешивание двух цветов красок.

Источник: https://obraz-ola.ru/prochee/kakie-prichiny-diffuzii.html

Booksm
Добавить комментарий