Начнем с того, что жидкость является промежуточным агрегатным состоянием. При критической точке кипения она схожа с газами, а при низких температурах проявляются характеристики, аналогичные твердому телу. У жидкости нет идеальной модели, что существенно усложняет описание ее равновесных термодинамических свойств, температуры замерзания, вязкости, диффузии, теплопроводности, поверхностного натяжения, энтропии, энтальпии.
Определение
Что такое диффузия? Это растекание, распространение, передвижение частиц среды, которое приводит к переносу вещества, установлению равновесных концентраций. При отсутствии внешних воздействий данный процесс определяется тепловым движением частичек. В этом случае процесс диффузии связан с концентрацией прямо пропорциональной зависимостью. Диффузионный поток будет меняться аналогично градиенту концентраций.
Разновидности
Если диффузия в жидкости протекает при изменении температур, ее называют термодиффузией, в электрическом поле – электродиффузией.
Процесс движения частиц больших размеров в жидкости либо газе происходит под законам броуновского движения.
Особенности протекания
Диффузия в газах, жидкостях и твердых телах протекает с разной скоростью. Из-за отличий в характере теплового движения частиц в различных средах, максимальную скорость процесс имеет в газах, а минимальный показатель - в твердых телах.
Траекторией движения частицы является ломаная линия, поскольку периодически меняется направление и скорость. Из-за неупорядоченности движения наблюдается постепенное удаление частицы от первоначального положения. Смещение ее по прямой линии значительно короче того пути, который совершается по ломаной траектории.
Закон Фика
Диффузия в жидкости подчиняется двум законам Фика:
- плотность диффузионного потока прямо пропорциональна концентрации с коэффициентом диффузии;
- скорость изменения плотности потока диффузии прямо пропорциональна скорости изменения концентрации и имеет обратное направление.
Диффузия в жидкости характеризуется скачками молекул из одного равновесного положения в другое. Каждый такой скачок наблюдается в случае сообщения энергии молекуле в объеме, достаточном для разрыва связи с другими частицами. Средняя величина скачка не превышает расстояния между молекулами.
Рассуждая над тем, что такое диффузия в жидкости, отметим, что процесс зависит от температуры. При ее повышении происходит «разрыхление» структуры жидкости, в результате чего наблюдается резкое увеличение количества перескоков за единицу времени.
Диффузия в газах, жидкостях и твердых телах имеет некоторые отличительные характеристики. Например, в твердых телах механизм связан с перемещением атомов внутри кристаллической решетки.
Особенности явления
Диффузия в жидкости представляет практический интерес благодаря тому, что он сопровождается выравниванием концентрации вещества в изначально неоднородной среде. С участков, имеющих большую концентрацию, частиц уходит значительно больше.
Эксперименты
Опыты с жидкостями показали, что диффузия имеет особое значение в химической кинетике. Во время протекания химического процесса на поверхности реагирующих веществ или катализатора данный процесс способствует определению скорости отвода продуктов реакции и добавлению исходных реагентов.
Чем объясняется диффузия в жидкостях? Молекулы растворителя способны проникать через полупрозрачные мембраны, в результате чего возникает осмотическое давление. Это явление нашло применение в химических и физических методах разделения веществ.
Биологические системы
В этом случае модели диффузии можно рассматривать на примере поступления в легкие кислорода воздуха, всасывания из кишечника в кровь продуктов пищеварения, поглощения корневыми волосками минеральных элементов. Диффузия ионов происходит во время генерирования мышечными и нервными клетками биоэлектрических импульсов.
Физическим фактором, который влияет на избирательность накопления в клетках организма определенных элементов, является разная скорость проникновения ионов через мембраны клеток. Этот процесс можно выразить законом Фика, заменив величину коэффициента диффузии показателем проницаемости мембраны, а вместо градиента концентрации использовать разность значений с обеих сторон мембраны. При диффузионном проникновении воды и газов в клетку меняются осмотические показатели давления вне и внутри клетки.
Анализируя, от чего зависит диффузия, отметим, что выделяют несколько видов этого процесса. Простая форма связана со свободным переносом ионов и молекул в сторону градиента их электрохимического потенциала. Например, подобный вариант подходит для тех веществ, у которых молекулы имеют незначительные размеры, например, метиловый спирт, вода.
Ограниченный вариант предполагает слабый перенос вещества. Например, в клетку не способны проникать даже небольшие по размерам частицы.
Страницы истории
Диффузия была открыта во время расцвета древнегреческой культуры. Демокрит и Анаксогор были убеждены в том, что любое вещество состоит из атомов. Разнообразие веществ, распространенных в природе, они объясняли соединениями между собой отдельных атомов. Они допускали, что эти частицы могут смешиваться, образуя новые вещества. Среди основателей молекулярно-кинетической теории, которая объяснила механизм протекания диффузии, особую роль сыграл Михаил Ломоносов. Им было дано определение молекуле, атому, объяснен механизм растворения.
Эксперименты
Опыт с сахаром позволяет понять все особенности диффузии. Если в холодный чай положить кусок сахара, постепенно на дне чашки образуется густой сироп. Он виден невооруженным глазом. Через некоторое время сироп равномерно распределится по всему объему жидкости и перестанет быть виден. Данный процесс протекает самопроизвольно и не предполагает перемешивания компонентов раствора. Аналогично происходит распространение по всему объему комнаты аромата духов.
Приведенные опыты свидетельствуют о том, что диффузия является самопроизвольным процессом проникновения молекул одного вещества в другое. Распространение вещества происходит во все стороны, несмотря на наличие силы тяжести. Подобный процесс является прямым подтверждением постоянного движения молекул вещества.
Так, в приведенном выше примере, осуществляется диффузия молекул сахара и воды, которая сопровождается равномерным распределением молекул органического вещества по всему объему жидкости.
Эксперименты позволяют обнаруживать диффузию не только в жидкостях, но и в газообразных веществах. Например, можно установить на весах емкость с парами эфира. Постепенно чашки придут в равновесие, затем стакан с эфиром окажется тяжелее. В чем причина подобного явления?
С течением времени молекулы эфира смешиваются с частицами воздуха, и в комнате начинает ощущаться специфический запах. В курсе физики средней школы рассматривается эксперимент, в котором учитель растворяет крупинку марганцовки (перманганата калия) в воде. Сначала видна четкая траектория движения крупинки, но постепенно весь раствор приобретает равномерный оттенок. На основе проведенного эксперимента педагог объясняет особенности диффузии.
Чтобы выявить факторы, которые влияют на скорость протекания процесса в жидкостях, можно воспользоваться водой разной температуры. В горячей жидкости процесс взаимного перемешивания молекул наблюдается гораздо быстрее, следовательно, существуют прямая зависимость между значением температуры и скоростью протекания диффузии.
Заключение
Опыты, проводимые с газами, жидкостями и твердыми веществами, позволяют сформулировать законы физики, установить зависимость между отдельными величинами.
Именно в результате экспериментов был установлен механизм взаимного проникновения частиц одного вещества в другое, доказана хаотичность их движения. Опытным путем было выявлено, что быстрее всего происходит диффузия в газообразных веществах. Данный процесс имеет огромное значение для живой природы, используется в науке и технике.
Благодаря этому явлению поддерживается однородный состав земной атмосферы. В противном случае наблюдалось бы расслоение тропосферы на отдельные газообразные вещества, и тяжелый углекислый газ, непригодный для дыхания, находился бы ближе всего к поверхности нашей планеты. К чему бы это привело? Живая природа просто перестала бы существовать.
Велика роль диффузии и в растительном мире. Пышную крону деревьев можно объяснить диффузионным обменом через поверхность листьев. В результате осуществляется не только дыхание, но и питание дерева. В настоящее время в сельском хозяйстве применяется внекорневая подкормка кустарников и деревьев, предполагающая опрыскивание кроны специальными химическими составами.
Именно при диффузии растение из почвы получает питательные вещества. Физиологические процессы, протекающие в живых организмах, также связаны с данным явлением. Например, солевой баланс невозможен без диффузии. Огромное значение подобные процессы играют в снабжении озер и рек кислородом. Газ попадает в глубь водоема именно путем диффузии. Если бы такой процесс отсутствовал, жизнь внутри водоема перестала бы существовать.
Прием лекарственных препаратов, позволяющих человеку защищать себя от возбудителей разных заболеваний и улучшать самочувствие, также основывается на диффузии. Это явление применяется при сварке металлов, получении сахарного сока их свекловичной стружки, приготовлении кондитерских изделий. Сложно найти такую отрасль современной промышленности, где бы не применялась диффузия.
