Sisu
- TL; DR (liiga pikk; ei lugenud)
- Grahami difusiooniseadus
- Ficki levitamise seadused
- Muud huvitavad faktid difusioonimäärade kohta
Difusioon toimub osakeste liikumise tõttu. Juhuslikus liikumises olevad osakesed, nagu gaasimolekulid, põrkuvad üksteisega kokku, järgides Browni liikumist, kuni nad teatud piirkonnas ühtlaselt jaotuvad. Difusioon on siis molekulide voog kõrge kontsentratsiooniga alalt madala kontsentratsiooniga alale kuni tasakaalu saavutamiseni. Lühidalt, difusioon kirjeldab gaasi, vedelat või tahket ainet, mis hajub konkreetses ruumis või teises aines. Difusiooninäited hõlmavad parfüümi aroomi, mis levib kogu ruumis, või tilka rohelist toiduvärvi, mis hajub kogu tassi vett. Difusioonikiiruse arvutamiseks on mitmeid viise.
TL; DR (liiga pikk; ei lugenud)
Pidage meeles, et mõiste "määr" tähistab koguse muutust aja jooksul.
Grahami difusiooniseadus
19. sajandi alguses avastas Šoti keemik Thomas Graham (1805-1869) kvantitatiivse seose, mis nüüd tema nime kannab. Grahami seaduse kohaselt on kahe gaasilise aine difusioonikiirus pöördvõrdeline nende molaarmassi ruutjuurega. See suhe saavutati, arvestades, et kõigil samal temperatuuril leiduvatel gaasidel on sama keskmine kineetiline energia, nagu on aru nähtud gaaside kineetilises teoorias. Teisisõnu, Grahami seadus on otsene tagajärg gaasilistele molekulidele, mille keskmine kineetiline energia on sama, kui nad on samal temperatuuril. Grahami seaduse kohaselt kirjeldab difusioon gaaside segunemist ja difusioonikiirus on selle segunemise kiirus. Pange tähele, et Grahami difusiooniseadust nimetatakse ka Grahami efusiooniseaduseks, kuna efusioon on difusiooni erijuhtum. Efusioon on nähtus, kui gaasilised molekulid pääsevad läbi pisikese augu vaakumisse, evakueeritud ruumi või kambrisse. Efusioonikiirus mõõdab kiirust, millega gaas gaasi selle vaakumi, evakueeritud ruumi või kambrisse viiakse. Nii et difusioonikiiruse või efusioonikiiruse arvutamiseks sõnaprobleemis on üks viis Graham'i seadusel põhinevate arvutuste tegemine, mis väljendab gaaside molaarmasside ja nende difusiooni- või efusioonikiiruse suhet.
Ficki levitamise seadused
19. sajandi keskel koostas saksa päritolu arst ja füsioloog Adolf Fick (1829–1901) seaduste kogumi, mis reguleerib vedelikumembraanil hajuva gaasi käitumist. Ficki esimene difusiooniseadus väidab, et voog või osakeste neto liikumine konkreetses piirkonnas kindla ajavahemiku jooksul on otseselt proportsionaalne gradiendi järsusega. Ficki esimese seaduse võib kirjutada järgmiselt:
voog = -D (dC ÷ dx)
kus (D) viitab difusioonikoefitsiendile ja (dC / dx) on gradient (ja on tuletis arvutuslikult). Nii väidab Ficki esimene seadus põhimõtteliselt, et osakeste juhuslik liikumine Browni liikumisest põhjustab osakeste triivimist või hajutamist kõrge kontsentratsiooniga piirkondadest madalatele kontsentratsioonidele - ja et triivimiskiirus ehk difusioonikiirus on võrdeline tiheduse gradiendiga, kuid sellele gradiendile vastupidises suunas (mis moodustab difusioonikonstandi ees oleva negatiivse märgi). Kui Ficki esimene difusiooniseadus kirjeldab, kui palju voogu seal on, siis tegelikult kirjeldab difiksi difusiooni kiirust Ficki teine difusiooniseadus ja see toimub osalise diferentsiaalvõrrandina. Ficki teist seadust kirjeldatakse järgmise valemiga:
T = (1 ÷ ) x2
mis tähendab, et hajutamise aeg suureneb vahemaa ruuduga, x. Sisuliselt pakuvad Ficki esimene ja teine difusiooniseadus teavet selle kohta, kuidas kontsentratsiooni gradiendid mõjutavad difusioonikiirust. Huvitaval kombel mõtles Washingtoni ülikool süstla kui mnemoonika, mis aitab meelde jätta, kuidas Ficki võrrandid aitavad difusioonikiiruse arvutamisel: „Fick ütleb, kui kiiresti molekul difundeerub. Delta P korda A korda k üle D on seadus, mida kasutada…. Rõhu erinevus, pindala ja konstant k korrutatakse. Täpse difusioonikiiruse määramiseks jagatakse need difusioonibarjääriga. "
Muud huvitavad faktid difusioonimäärade kohta
Difusioon võib toimuda tahketes ainetes, vedelikes või gaasides. Muidugi toimub difusioon kõige kiiremini gaasides ja kõige aeglasemalt kuivainetes. Difusioonikiirust võivad mõjutada ka mitmed tegurid. Näiteks kiirendatud temperatuur kiirendab difusiooni kiirust. Samuti võivad difusioonikiirust mõjutada osake, mida hajutatakse, ja materjal, millesse see hajub. Näiteks pange tähele, et polaarsed molekulid hajuvad polaarses keskkonnas, näiteks vees, kiiremini, samas kui mittepolaarsed molekulid on segunematud ja seetõttu on neil vees keeruline hajuda. Materjali tihedus on veel üks difusiooni kiirust mõjutav tegur. Arusaadavalt hajuvad raskemad gaasid võrreldes nende kergemate kolleegidega palju aeglasemalt. Lisaks võib koostoimeala suurus mõjutada difusioonikiirust, mida tõendab koduköögi aroom, mis hajub väikese ala kaudu laiali kiiremini kui suuremal alal.
Samuti, kui difusioon toimub kontsentratsioonigradiendi taustal, peab olema mingi energiavorm, mis difusiooni hõlbustab. Mõelge, kuidas vesi, süsinikdioksiid ja hapnik võivad passiivse difusiooni (või vee puhul osmoosiga) hõlpsalt rakumembraane ületada. Kuid kui suur, lipiidideta lahustuv molekul peab läbima rakumembraani, on vaja aktiivset transporti, kus adenosiintrifosfaadi (ATP) suure energiatarbimisega molekul astub difusiooni hõlbustamiseks rakumembraanide vahel.