Мелкие кристаллы характеризуются высокой поверхностной энергией на единицу массы металла по сравнению с крупными кристаллами. Поэтому, согласно законам термодинамики, всегда существует тенденция к росту кристаллов, поскольку свободная энергия системы уменьшается.
Диффузия – определение, примеры и типы
Диффузия — это физический процесс, означающий чистое перемещение молекул из области с высокой концентрацией в область с более низкой концентрацией. Диффундирующий материал может быть твердым, жидким или газообразным. Аналогично, среда, в которой происходит диффузия диффузия, также может находиться в одном из трех агрегатных состояний.
Одна из самых важных особенностей диффузии это движение молекул вдоль градиента концентрации. Хотя этому могут способствовать другие молекулы, в этом процессе не участвуют непосредственно богатые энергией молекулы, такие как аденозинтрифосфат (АТФ) или гуанозинтрифосфат (ГТФ).
Скорость диффузии зависит Природа взаимодействия между средой и материалом. Например, один газ очень быстро диффундирует в другой газ. Примером этого является то, как вредный запах аммиачного газа распространяется в воздухе. Аналогично, если в резервуаре с жидким азотом произойдет небольшая утечка, выделившийся азот быстро рассеется в атмосфере. Один и тот же газ диффундирует несколько медленнее в жидкости, например, в воде, и еще медленнее в твердом теле.
Точно так же две смешиваемые жидкости диффундируют друг в друга и образуют однородный раствор, например, при смешивании воды с глицерином. Со временем обе жидкости диффундируют в радиальном направлении друг к другу. Это можно наблюдать даже визуально, добавляя в каждую из жидкостей пигменты разного цвета. Однако такое же явление не наблюдается при смешивании несмешивающихся жидкостей, таких как бензин и вода. Диффузия происходит медленно и только в небольшой области взаимодействия между двумя жидкостями.
Примеры диффузии
Диффузия является важным компонентом многих биологических и химических процессов. В биологических системах диффузия происходит в любое время, через мембраны в каждой клетке и во всем организме.
Например, концентрация кислорода выше в артериях и артериолах, чем в активно дышащих клетках. Тем временем кровь по капиллярам поступает в мышцы или, например, в печень, и только слой клеток отделяет этот кислород от гепатоцитов или волокон скелетных мышц. Через процесс пассивного диффузии, Без активного участия каких-либо других молекул кислород проходит через капиллярную мембрану и попадает в клетки.
Клетки используют кислород в митохондриях для аэробного дыхания, при котором в качестве побочного продукта образуется углекислый газ. Когда концентрация этого газа увеличивается в клетке, он диффундирует наружу в капилляры, где сила текущей крови удаляет избыток газа из области ткани. Это оставляет низкую концентрацию углекислого газа в капиллярах, чтобы молекула могла постоянно удаляться от клеток.
Этот пример также показывает что диффузия из любого материала не зависит от диффузии любого другого вещества. Когда кислород транспортируется через капилляры в ткани, углекислый газ попадает в кровоток.
В химических процессах диффузия Он часто является центральным принципом для многих реакций. Простой пример: несколько кристаллов сахара в стакане воды со временем растворяются. Это связано с чистым движением молекул сахара в водной среде. Даже в крупных промышленных реакциях, когда две жидкости смешиваются вместе, диффузия соединяет реагенты и позволяет реакции протекать гладко. Например, один из способов синтеза полиэфира заключается в смешивании подходящей органической кислоты и спирта в жидком виде. Реакция происходит, когда два реагента диффундируют друг в друга и подвергаются химической реакции с образованием сложных эфиров.
Факторы, влияющие на диффузию
На диффузию Влияют температура, область взаимодействия, крутой градиент концентрации и размер частиц. Каждый из этих факторов, независимо может изменить скорость и темп дисперсии.
температура
В любой системе молекулы движутся с определенной кинетической энергией. Обычно это происходит не целенаправленно и может выглядеть случайным. Когда эти молекулы сталкиваются друг с другом, происходит изменение направления и изменение импульса и скорости. Например, когда блок сухого льда (углекислый газ в твердой форме) помещают в коробку, молекулы углекислого газа в центре блока в основном сталкиваются друг с другом и оказываются запертыми в твердом теле. Однако молекулы на периферии также подвержены влиянию молекул, быстро движущихся в воздухе, поэтому они могут диффундировать в воздух. Это создает градиент концентрации, при котором концентрация углекислого газа постепенно уменьшается по мере удаления от массы сухого льда.
При повышении температуры кинетическая энергия всех частиц в системе увеличивается. Это увеличивает скорость, с которой движутся молекулы растворителя и растворенного вещества, и приводит к увеличению числа столкновений. Это означает, что сухой лед (или даже обычный лед) будет испаряться быстрее в теплый день, просто потому, что каждая молекула движется с большей энергией и с большей вероятностью быстро покинет твердое состояние.
Область взаимодействия
В продолжение приведенного выше примера: Когда глыба сухого льда разбивается на множество кусков, площадь, взаимодействующая с атмосферой, сразу же увеличивается. Количество молекул, которые сталкиваются только с другими частицами углекислого газа в сухом льду, уменьшается. Следовательно, скорость диффузии газа в воздухе также увеличивается.
Это свойство можно заметить еще лучше, если газ имеет запах или цвет. Например, при испарении йода на горячем огне образуются фиолетовые пары, которые смешиваются с воздухом. Если сублимация проводится в узком тигле, пары медленно диффундируют к отверстию сосуда, а затем быстро исчезают. Несмотря на то, что тигель занимает меньшую площадь, скорость потока пара ниже. диффузии остается низкой.
Это также наблюдается при смешивании двух жидких реагентов. Перемешивание увеличивает площадь взаимодействия между двумя химическими веществами, позволяя молекулам быстрее диффундировать друг к другу. Реакция завершается быстрее. Аналогичным образом, любой растворитель, разделенный на мелкие кусочки и смешанный с растворителем, быстро растворяется, что является еще одним признаком того, что молекулы лучше диффундируют при увеличении площади взаимодействия.
Крутизна градиента концентрации
Поскольку диффузия обусловлена, прежде всего, вероятностью перемещения молекул из области повышенного насыщения, из этого непосредственно следует, что если концентрация среды (или растворителя) очень мала, то вероятность диффузии молекулы, удаляющейся от центральной области, выше. Например, в примере с диффузией Когда тигель помещают в другой закрытый контейнер и кристаллы йода нагревают в течение более длительного периода времени, скорость, с которой газ йода «исчезает» в отверстии тигля, уменьшается. Это кажущееся замедление объясняется тем, что со временем в большем контейнере образуется достаточное количество йодистого газа, и часть его «мигрирует» обратно в тигель. Хотя это случайное, ненаправленное движение с большим объемом, возможен сценарий, когда нет чистого движения газа из контейнера.
Эти материалы характеризуются кристаллической решеткой, в которой частицы расположены упорядоченно. Сменный материал зависит по характеру связи. Они не очень активны.
Диффузия в газах
Начнем с газообразных тел. Представьте, что вы сидите в своей комнате и занимаетесь, и вдруг из кухни доносится чудесный запах. Почему это произошло? Приготовленное на ужин блюдо состоит из множества молекул, которые постоянно находятся в движении и сталкиваются друг с другом: Мясо, масло, специи.
При нагревании отдельные молекулы отделялись от остальных, смешивались с молекулами воздуха и начинали двигаться в плоскости. Это явление, о котором уже сообщалось. диффузии — взаимное проникновение молекул различных веществ.
Диффузия может происходить в жидкостях и даже в твердых телах, но гораздо медленнее.
Другой вопрос: почему запахи не доходят до нас сразу? Мы уже упоминали о непрерывном и хаотичном движении молекул воздуха. Молекулы постоянно сталкиваются, меняют направление и беспорядочно рассеиваются в пространстве.
Диффузия в жидкостях
Как протекает диффузия В жидкости? Рассмотрим на опыте, что молекулы, из которых состоят тела, находятся в неупорядоченном движении даже в жидких телах (рис. 1).
Рисунок 1: Иллюстрация эксперимента с водой и сульфатом меди.
Сначала наливаем в стакан темно-синий раствор сульфата меди (часто используется в качестве антисептика в быту). Затем осторожно налейте воду в тот же стакан.
Сначала между жидкостями будет видна четкая граница, но со временем она помутнеет. Через 2-3 недели граница полностью исчезнет: процесс. диффузии завершится.
Если рассмотреть этот процесс на молекулярном уровне (рис. 2), то можно четко увидеть, что молекулы воды и сульфата меди на границе раздела двух жидкостей начинают обмениваться своими позициями, и жидкость в стакане со временем становится полностью однородной.
То же самое происходит и в твердых телах. диффузия, но гораздо медленнее. Например, при комнатной температуре около 20 \space C \degrees$ золото и свинец диффундируют друг через друга на расстоянии около 1 мм только через 4-5 лет (рис. 3).
Рисунок 3: Диффузия в твердых телах (золото и свинец).
Определение диффузии
Так что такое диффузия? Дадим определение.
Диффузия — это явление, при котором молекулы одного вещества проникают между молекулами другого вещества.
Как уже упоминалось, явление диффузии объясняется непрерывным и хаотичным движением молекул, при котором молекулы одного вещества проникают в межмолекулярные пространства другого вещества.
Процесс диффузии напрямую зависит Это явление объясняется непрерывным и хаотичным движением молекул, когда молекулы одного вещества проникают в межмолекулярные пространства другого вещества.
