Дифузія в рідини: умови процесу, приклади. Досліди з рідинами

Почнемо з того, що рідина єпроміжним агрегатним станом. При критичній точці кипіння вона схожа з газами, а при низьких температурах проявляються характеристики, аналогічні твердого тіла. У рідини немає ідеальної моделі, що істотно ускладнює опис її рівноважних термодинамічних властивостей, температури замерзання, в'язкості, дифузії, теплопровідності, поверхневого натягу, ентропії, ентальпії.

визначення

Що таке дифузія? Це розтікання, поширення, пересування частинок середовища, яке призводить до переносу речовини, встановлення рівноважних концентрацій. При відсутності зовнішніх впливів даний процес визначається тепловим рухом частинок. В цьому випадку процес дифузії пов'язаний з концентрацією прямо пропорційною залежністю. Дифузійний потік буде змінюватися аналогічно градієнту концентрацій.

різновиди

Якщо дифузія в рідини протікає при зміні температур, її називають термодифузія, в електричному полі - електродифузія.

Процес руху частинок великих розмірів в рідини або газі відбувається під законам броунівського руху.

особливості протікання

Дифузія в газах, рідинах і твердих тілахпротікає з різною швидкістю. Через відмінностей у характері теплового руху частинок в різних середовищах, максимальну швидкість процес має в газах, а мінімальний показник - в твердих тілах.

Траєкторією руху частинки є ламаналінія, оскільки періодично змінюється напрямок і швидкість. Через невпорядкованості руху спостерігається поступове видалення частки від початкового положення. Зсув її по прямій лінії значно коротше того шляху, який відбувається по ламаній траєкторії.

закон Фіка

Дифузія в рідини підпорядковується двом законам Фіка:

• щільність дифузійного потоку прямо пропорційна концентрації з коефіцієнтом дифузії;
• швидкість зміни щільності потоку дифузії прямо пропорційна швидкості зміни концентрації і має зворотній напрямок.

Дифузія в рідини характеризується стрибкамимолекул з одного рівноважного положення в інше. Кожен такий стрибок спостерігається в разі повідомлення енергії молекулі в обсязі, достатньому для розриву зв'язку з іншими частинками. Середня величина стрибка не перевищує відстані між молекулами.

Розмірковуючи над тим, що таке дифузія в рідини,відзначимо, що процес залежить від температури. При її підвищенні відбувається «розпушення» структури рідини, в результаті чого спостерігається різке збільшення кількості перескоків за одиницю часу.

Дифузія в газах, рідинах і твердих тілах має деякі відмінні характеристики. Наприклад, в твердих тілах механізм пов'язаний з переміщенням атомів всередині кристалічної решітки.

особливості явища

Дифузія в рідини становить практичнийінтерес завдяки тому, що він супроводжується вирівнюванням концентрації речовини в спочатку неоднорідному середовищі. З ділянок, що мають велику концентрацію, частинок йде значно більше.

експерименти

Досліди з рідинами показали, що дифузія маєособливе значення в хімічній кінетиці. Під час протікання хімічного процесу на поверхні реагуючих речовин або каталізатора цей процес сприяє визначенню швидкості відводу продуктів реакції і додаванню вихідних реагентів.

Чим пояснюється дифузія в рідинах? Молекули розчинника здатні проникати через напівпрозорі мембрани, в результаті чого виникає осмотичний тиск. Це явище знайшло застосування в хімічних і фізичних методах розділення речовин.

біологічні системи

В цьому випадку моделі дифузії можна розглядатина прикладі надходження в легені кисню повітря, всмоктування з кишечника в кров продуктів травлення, поглинання кореневими волосками мінеральних елементів. Дифузія іонів відбувається під час генерування м'язовими і нервовими клітинами біоелектричних імпульсів.

Фізичним фактором, який впливає навибірковість накопичення в клітинах організму певних елементів, є різна швидкість проникнення іонів через мембрани клітин. Цей процес можна виразити законом Фіка, замінивши величину коефіцієнта дифузії показником проникності мембрани, а замість градієнта концентрації використовувати різницю значень по обидва боки мембрани. При дифузійному проникненні води і газів в клітку змінюються осмотические показники тиску зовні і усередині клітини.

Аналізуючи, від чого залежить дифузія, відзначимо,що виділяють кілька видів цього процесу. Проста форма пов'язана з вільним перенесенням іонів і молекул в сторону градієнта їх електрохімічного потенціалу. Наприклад, подібний варіант підходить для тих речовин, у яких молекули мають незначні розміри, наприклад, метиловий спирт, вода.

Обмежений варіант передбачає слабкий перенесення речовини. Наприклад, в клітку не здатні проникати навіть невеликі за розмірами частинки.

сторінки історії

Дифузія була відкрита під час розквітудавньогрецької культури. Демокріт і Анаксогор були переконані в тому, що будь-яка речовина складається з атомів. Різноманітність речовин, поширених в природі, вони пояснювали сполуками між собою окремих атомів. Вони допускали, що ці частинки можуть змішуватися, утворюючи нові речовини. Серед засновників молекулярно-кінетичної теорії, яка пояснила механізм протікання дифузії, особливу роль зіграв Михайло Ломоносов. Їм було дано визначення молекулі, атому, пояснений механізм розчинення.

експерименти

Досвід з цукром дозволяє зрозуміти всі особливостідифузії. Якщо в холодний чай покласти шматок цукру, поступово на дні чашки утворюється густий сироп. Її видно неозброєним оком. Через деякий час сироп рівномірно розподілиться по всьому об'єму рідини і перестане бути видно. Даний процес протікає мимовільно і не передбачає перемішування компонентів розчину. Аналогічно відбувається поширення по всьому об'єму кімнати аромату духів.

Наведені досліди свідчать про те, щодифузія є мимовільним процесом проникнення молекул однієї речовини в іншу. Поширення речовини відбувається в різні боки, не дивлячись на наявність сили тяжіння. Подібний процес є прямим підтвердженням постійного руху молекул речовини.

Так, у наведеному вище прикладі, здійснюється дифузія молекул цукру і води, яка супроводжується рівномірним розподілом молекул органічної речовини по всьому об'єму рідини.

Експерименти дозволяють виявляти дифузію НЕтільки в рідинах, але і в газоподібних речовинах. Наприклад, можна встановити на вагах ємність з парами ефіру. Поступово чашки прийдуть в рівновагу, потім стакан з ефіром виявиться важче. У чому причина подібного явища?

З плином часу молекули ефіру змішуються зчастинками повітря, і в кімнаті починає відчуватися специфічний запах. В курсі фізики середньої школи розглядається експеримент, в якому вчитель розчиняє крупинку марганцівки (перманганату калію) в воді. Спочатку видно чітка траєкторія руху крупинки, але поступово весь розчин набуває рівномірний відтінок. На основі проведеного експерименту педагог пояснює особливості дифузії.

Щоб виявити фактори, які впливають на швидкістьпротікання процесу в рідинах, можна скористатися водою різної температури. У гарячої рідини процес взаємного перемішування молекул спостерігається набагато швидше, отже, існують пряма залежність між значенням температури і швидкістю протікання дифузії.

висновок

Досліди, проведені з газами, рідинами і твердими речовинами, дозволяють сформулювати закони фізики, встановити залежність між окремими величинами.

Саме в результаті експериментів було встановленомеханізм взаємного проникнення частинок однієї речовини в іншу, доведена хаотичність їх руху. Досвідченим шляхом було виявлено, що швидше за все відбувається дифузія в газоподібних речовинах. Даний процес має величезне значення для живої природи, використовується в науці і техніці.

Завдяки цьому явищу підтримується одноріднийсклад земної атмосфери. В іншому випадку спостерігалося б розшарування тропосфери на окремі газоподібні речовини, і важкий вуглекислий газ, непридатний для дихання, працював би найближче до поверхні нашої планети. До чого б це призвело? Жива природа просто перестала б існувати.

Велика роль дифузії і в рослинному світі.Пишну крону дерев можна пояснити дифузійним обміном через поверхню листя. В результаті здійснюється не тільки дихання, але і харчування дерева. В даний час в сільському господарстві застосовується позакореневе підживлення чагарників і дерев, що припускає обприскування крони спеціальними хімічними складами.

Саме при дифузії рослину з грунту отримуєпоживні речовини. Фізіологічні процеси, що протікають в живих організмах, також пов'язані з цим явищем. Наприклад, сольовий баланс неможливий без дифузії. Величезне значення подібні процеси відіграють в постачанні озер і річок киснем. Газ потрапляє в глиб водойми саме шляхом дифузії. Якби такий процес був відсутній, життя всередині водойми перестала б існувати.

Прийом лікарських препаратів, що дозволяютьлюдині захищати себе від збудників різних захворювань і покращувати самопочуття, також ґрунтується на дифузії. Це явище застосовується при зварюванні металів, отриманні цукрового соку їх бурякової стружки, приготуванні кондитерських виробів. Складно знайти таку галузь сучасної промисловості, де б не застосовувалася дифузія.