Spomedzi mnohých fenoménov vo fyzike je proces difúzie jedným z najjednoduchších a najzrozumiteľnejších. Koniec koncov, každé ráno, keď si pripravuje voňavý čaj alebo kávu, má človek možnosť pozorovať túto reakciu v praxi. Dozvieme sa viac o tomto procese a podmienkach jeho výskytu v rôznych agregovaných stavoch.
Čo je difúzia
Toto slovo označuje prienik molekúl alebo atómov jednej látky medzi podobné štruktúrne jednotky inej látky. V tomto prípade je koncentrácia penetračných zlúčenín vyrovnaná.
Tento proces prvýkrát podrobne opísal nemecký vedec Adolf Fick v roku 1855
Názov tohto výrazu vznikol z latinského slovesného podstatného mena diffusio (interakcia, rozptyl, distribúcia).
Difúzia v kvapaline
Uvažovaný proces môže prebiehať s látkami vo všetkých troch stavoch agregácie: plynné, kvapalné a pevné. Ak chcete získať praktické príklady, stačí sa pozrieť nakuchyňa.
Jednou z nich je boršč varený v peci. Vplyvom teploty molekuly glukozínu betanínu (látka, vďaka ktorej má repa takú bohatú šarlátovú farbu) rovnomerne reagujú s molekulami vody, čím získava jedinečný bordový odtieň. Tento prípad je príkladom difúzie v kvapalinách.
Okrem boršču je tento proces vidieť aj v pohári čaju alebo kávy. Oba tieto nápoje majú taký jednotný sýty odtieň vďaka tomu, že čajové lístky alebo čiastočky kávy, rozpustené vo vode, sa rovnomerne rozprestierajú medzi jej molekulami a farbia ju. Akcia všetkých obľúbených instantných nápojov deväťdesiatych rokov je postavená na rovnakom princípe: Yupi, Invite, Zuko.
Vzájomné prenikanie plynov
Pri ďalšom hľadaní prejavov daného procesu v kuchyni sa oplatí pričuchnúť a vychutnať si príjemnú vôňu šíriacu sa z kytice čerstvých kvetov na jedálenskom stole. Prečo sa to deje?
Atómy a molekuly nesúce vôňu sú v aktívnom pohybe a v dôsledku toho sú zmiešané s časticami, ktoré sú už vo vzduchu, a sú pomerne rovnomerne rozptýlené v objeme miestnosti.
Toto je prejav difúzie v plynoch. Za zmienku stojí, že k uvažovanému procesu patrí aj samotné vdychovanie vzduchu, ako aj chutná vôňa čerstvo uvareného boršču v kuchyni.
Difúzia v pevných látkach
Kuchynský stôl s kvetmi je pokrytý žiarivo žltým obrusom. Podobný odtieň dostala vďakaschopnosť difúzie prechádzať pevnými látkami.
Proces dodávania plátna do určitého jednotného odtieňa prebieha v niekoľkých fázach takto.
- Čiastočky žltého pigmentu difundované v atramentovej nádržke smerom k vláknitému materiálu.
- Potom ich absorboval vonkajší povrch zafarbenej látky.
- Ďalším krokom bolo opäť rozptýlenie farbiva, ale tentoraz do vlákien pavučiny.
- Vo finále látka zafixovala častice pigmentu, čím sa zafarbila.
Difúzia plynov v kovoch
Keď už hovoríme o tomto procese, zvážte interakciu látok v rovnakom stave agregácie. Napríklad difúzia v pevných látkach, pevných látkach. Na preukázanie tohto javu sa uskutočňuje experiment s dvoma kovovými platňami pritlačenými proti sebe (zlatá a olovená). Vzájomný prienik ich molekúl trvá pomerne dlho (jeden milimeter za päť rokov). Tento proces sa používa na výrobu nezvyčajných šperkov.
Avšak zlúčeniny v rôznych agregovaných stavoch sú tiež schopné difúzie. Napríklad v pevných látkach dochádza k difúzii plynov.
Počas experimentov sa dokázalo, že takýto proces prebieha v atómovom stave. Na jeho aktiváciu je spravidla potrebné výrazné zvýšenie teploty a tlaku.
Príkladom takejto difúzie plynov v pevných látkach je vodíková korózia. Prejavuje sa v situáciách, kedyAtómy vodíka (Н2), ktoré vznikli v priebehu nejakej chemickej reakcie pod vplyvom vysokých teplôt (od 200 do 650 stupňov Celzia), prenikajú medzi štruktúrne častice kovu.
Okrem vodíka sa v pevných látkach môže vyskytnúť aj difúzia kyslíka a iných plynov. Tento okom nepostrehnuteľný proces spôsobuje veľa škody, pretože kovové konštrukcie sa môžu kvôli nemu zrútiť.
Difúzia kvapalín v kovoch
Avšak nielen molekuly plynu môžu prenikať do pevných látok, ale aj kvapalín. Rovnako ako v prípade vodíka, tento proces najčastejšie vedie ku korózii (ak ide o kovy).
Klasickým príkladom difúzie tekutín v pevných látkach je korózia kovov pod vplyvom vody (H2O) alebo roztokov elektrolytov. Pre väčšinu je tento proces známy skôr pod názvom hrdzavenie. Na rozdiel od vodíkovej korózie sa s ňou v praxi musíme stretnúť oveľa častejšie.
Podmienky pre urýchlenie šírenia. Difúzny koeficient
Po vysporiadaní sa s látkami, v ktorých sa môže uvažovaný proces vyskytnúť, stojí za to dozvedieť sa o podmienkach jeho výskytu.
V prvom rade rýchlosť difúzie závisí od agregovaného stavu interagujúcich látok. Čím väčšia je hustota materiálu, v ktorom reakcia prebieha, tým je jej rýchlosť pomalšia.
V tomto ohľade bude difúzia v kvapalinách a plynoch vždy aktívnejšia ako v pevných látkach.
Ak napríklad kryštálymanganistan draselný KMnO4 (manganistan draselný) hoďte do vody, dodajú mu krásnu malinovú farbu za pár minút Farba. Ak však posypete kryštály KMnO4 na kúsok ľadu a všetko vložíte do mrazničky, po niekoľkých hodinách manganistan draselný nemožno úplne zafarbiť zamrznuté H 2O.
Z predchádzajúceho príkladu možno vyvodiť ešte jeden záver o podmienkach difúzie. Okrem stavu agregácie ovplyvňuje rýchlosť vzájomného prenikania častíc aj teplota.
Aby sme zvážili závislosť posudzovaného procesu od toho, stojí za to dozvedieť sa o takom koncepte, akým je koeficient difúzie. Toto je názov kvantitatívnej charakteristiky jeho rýchlosti.
Vo väčšine vzorcov sa označuje veľkým latinským písmenom D a v systéme SI sa meria v metroch štvorcových za sekundu (m² / s), niekedy v centimetroch za sekundu (cm2 /m).
Koeficient difúzie sa rovná množstvu hmoty rozptýlenej cez jednotkový povrch za jednotku času za predpokladu, že rozdiel hustoty na oboch povrchoch (umiestnených vo vzdialenosti rovnajúcej sa jednotkovej dĺžke) je rovný jednej. Kritériá, ktoré určujú D, sú vlastnosti látky, v ktorej prebieha samotný proces rozptylu častíc, a ich typ.
Závislosť koeficientu od teploty možno opísať pomocou Arrheniovej rovnice: D=D0exp(-E/TR).
V uvažovanom vzorci E je minimálna energia potrebná na aktiváciu procesu; T - teplota (meraná v Kelvinoch, nie v stupňoch Celzia); R-charakteristika plynovej konštanty ideálneho plynu.
Okrem vyššie uvedeného ovplyvňuje rýchlosť difúzie v pevných látkach, kvapalinách v plynoch tlak a žiarenie (indukčné alebo vysokofrekvenčné). Okrem toho veľa závisí od prítomnosti katalytickej látky, ktorá často pôsobí ako spúšťač pre začiatok aktívnej disperzie častíc.
Difúzna rovnica
Tento jav je konkrétnou formou parciálnej diferenciálnej rovnice.
Jeho cieľom je nájsť závislosť koncentrácie látky od veľkosti a súradníc priestoru (v ktorom difunduje), ako aj od času. V tomto prípade daný koeficient charakterizuje priepustnosť prostredia pre reakciu.
Najčastejšie sa difúzna rovnica zapisuje takto: ∂φ (r, t)/∂t=∇ x [D(φ, r) ∇ φ (r, t)].
V ňom φ (ta r) je hustota rozptylujúcej látky v bode r v čase t. D (φ, r) - zovšeobecnený difúzny koeficient pri hustote φ v bode r.
∇ – vektorový diferenciálny operátor, ktorého komponenty sú parciálne derivácie v súradniciach.
Keď je koeficient difúzie závislý od hustoty, rovnica je nelineárna. Keď nie - lineárne.
Po zvážení definície difúzie a vlastností tohto procesu v rôznych prostrediach možno poznamenať, že má pozitívne aj negatívne stránky.
