Диффузия - это удивительное физическое явление взаимного проникновения молекул одного вещества между молекулами другого. Этот процесс протекает повсеместно в природе и имеет важное практическое значение. Давайте разберемся подробнее, что это такое и как конкретно оно реализуется в жидкостях.
Сущность явления диффузии
Итак, диффузия - это спонтанный (самопроизвольный) массоперенос вещества, обусловленный тепловым хаотичным движением частиц. При диффузии частицы вещества (атомы, молекулы) перемещаются из области с более высокой концентрацией в область с более низкой концентрацией. Таким образом, концентрация вещества постепенно выравнивается во всем доступном объеме.
Скорость диффузии зависит от:
- температуры среды - чем выше температура, тем активнее движение частиц и быстрее диффузия;
- размера частиц - чем меньше размер, тем быстрее они диффундируют;
- характера среды - в газах диффузия протекает значительно быстрее, чем в жидкостях и тем более твердых телах.
Не стоит путать диффузию и конвекцию. При конвекции перемешивание жидкостей или газов происходит за счет макроскопического движения самих слоев среды по законам гидродинамики.
Наблюдение диффузии в жидкости
Явление диффузии в жидкостях можно легко продемонстрировать в следующем опыте. Для этого нам понадобится:
- мензурка с водой объемом 100-250 мл;
- пипетка для добавления капель реактива;
- водный раствор марганцовокислого калия или медного купороса.
Рассмотрим медный купорос. Это соль меди ярко-синего цвета. Наливаем в мензурку воду примерно на 2/3 объема. Затем аккуратно, чтобы жидкости не смешивались, в центре мензурки добавляем одну-две капли раствора медного купороса. Первоначально четко видно границу между прозрачной водой и ярко-синей каплей.
Через пару минут эта граница начнет постепенно размываться и вся вода в мензурке спустя 10-15 минут станет едва заметно голубой. Это и есть эффект диффузии, когда молекулы красителя из концентрированной капли распространились по всему объему воды.
Можно ускорить процесс диффузии, дополнительно покачав или взболтав мензурку с водой. Таким образом диффузия в жидкостях занимает порядка нескольких минут.
Скорость диффузии зависит от условий и параметров среды. Чем выше температура воды в нашем опыте, тем быстрее будет распространяться окраска. Также на скорость процесса влияют вязкость и плотность жидкости.
Несколько капель в разных местах по объему дадут нам наиболее визуальное представление об изотропности диффузии, когда вещество распространяется по всем направлениям равномерно от источника.
Влияние условий на скорость диффузии
Как уже говорилось, на скорость диффузии в жидкостях существенное влияние оказывают условия среды. Давайте рассмотрим основные факторы.
Температура
Повышение температуры жидкости приводит к ускорению хаотичного теплового движения молекул и атомов. Соответственно, они быстрее преодолевают расстояние между своим первоначальным и конечным положением, то есть скорость диффузии возрастает.
Давление
Рост давления в жидкости также ведет к небольшому ускорению диффузии. Это связано с тем, что при высоком давлении уменьшается среднее расстояние между молекулами и облегчается их взаимное проникновение.
Вязкость
Чем выше вязкость жидкости, тем медленнее в ней протекает диффузия. При высокой вязкости движение частиц затруднено из-за сил межмолекулярного взаимодействия. Поэтому, например, в масле диффузия протекает гораздо медленнее, чем в воде.
Возможные ошибки при наблюдении диффузии
Чтобы правильно продемонстрировать протекает диффузия жидкостях и сделать верные выводы о скорости процесса, нужно избегать распространенных ошибок.
Перемешивание жидкостей
Если при добавлении капель красителя происходит перемешивание жидкостей (воды и раствора), то это приводит к конвекции. В результате, кажущаяся скорость выравнивания концентрации возрастает. На самом деле при этом наблюдается не чистая диффузия.
Малый объем жидкости
Если в емкости для опыта недостаточно жидкости, то диффузия будет протекать быстрее из-за близости стенок. Вещество как бы концентрируется в меньшем объеме. Поэтому результаты не будут точными.
Роль диффузии в биологических процессах
Диффузия играет важную роль во многих биологических процессах, поскольку она обеспечивает транспорт и распределение различных веществ в жидких средах организмов.
Питание клеток
Вся жизнедеятельность клетки происходит благодаря поступлению в нее питательных веществ и кислорода из межклеточной жидкости. Эти процессы основаны на диффузии молекул через клеточную мембрану по градиенту концентрации.
Транспорт веществ в организме
Кровь и лимфа разносят питательные вещества, гормоны, сигнальные молекулы по всему организму млекопитающих и человека. При этом поглощение и отдача веществ тканями также осуществляется диффузионным способом.
Проникновение лекарств
Механизм действия многих лекарств основан на их способности проникать в клетки и ткани посредством диффузии для реализации фармакологических эффектов.
Проявления диффузии в природных процессах
В природе можно увидеть множество примеров диффузионных явлений в газообразных, жидких и даже твердых средах.
Парниковый эффект
Парниковые газы (углекислый газ, метан) под действием диффузии равномерно распределяются в атмосфере планеты и препятствуют теплопотерям, удерживая тепло у поверхности Земли.
Распространение запахов
Молекулы ароматических веществ благодаря диффузии переносятся по воздуху от источника запаха, постепенно распределяясь в окружающем пространстве. Так мы ощущаем различные приятные и не очень запахи.
Формирование смеси газов в атмосфере
Хотя молекулярные массы газов различны (кислород, углекислый газ, азот и др.), диффузия приводит к равномерному распределению газов по высоте атмосферы и образованию однородной газовой смеси.
Применение диффузии в промышленности
Явление диффузии широко используется в различных отраслях промышленности.
Выращивание полупроводниковых кристаллов
В электронной промышленности высокочистые монокристаллы кремния, германия, арсенида галлия для изготовления чипов и приборов выращивают с помощью так называемого метода Чохральского. При этом происходит диффузия атомов в расплаве и формирование монокристаллической решетки.
Химическая газовая сварка
При сварке поверхности нагреваются до пластического состояния и происходит межатомная и межмолекулярная диффузия, обеспечивающая неразрывное соединение деталей.
