Začnime tým, že kvapalina je prechodným stavom agregácie. Pri kritickom bode varu je podobný plynom a pri nízkych teplotách sa objavujú charakteristiky podobné tuhej látke. Kvapalina nemá ideálny model, čo značne komplikuje popis jej rovnovážnych termodynamických vlastností, bodu tuhnutia, viskozity, difúzie, tepelnej vodivosti, povrchového napätia, entropie, entalpie.
Definícia
Čo je difúzia? Ide o šírenie, distribúciu, pohyb častíc média, čo vedie k prenosu hmoty, nastoleniu rovnovážnych koncentrácií. Pri absencii vonkajších vplyvov je tento proces určený tepelným pohybom častíc. V tomto prípade je difúzny proces priamo úmerný koncentrácii. Difúzny tok sa bude meniť podobne ako koncentračný gradient.
Odrody
Ak difúzia v kvapaline prebieha so zmenou teploty, nazýva sa to tepelná difúzia, v elektrickom poli - elektrodifúzia.
Proces pohybu veľkých častíc v kvapaline alebo plyne prebieha podzákony Brownovho pohybu.
Funkcie toku
Difúzia v plynoch, kvapalinách a pevných látkach prebieha rôznymi rýchlosťami. V dôsledku rozdielov v povahe tepelného pohybu častíc v rôznych médiách má proces maximálnu rýchlosť v plynoch a minimálnu rýchlosť - v pevných látkach.
Trajektória častice je prerušovaná čiara, pretože smer a rýchlosť sa periodicky menia. V dôsledku neusporiadaného pohybu sa pozoruje postupné odstraňovanie častice z jej pôvodnej polohy. Jeho posun pozdĺž priamky je oveľa kratší ako cesta, ktorá prebieha po prerušovanej ceste.
Fickov zákon
Difúzia v kvapaline dodržiava dva Fickove zákony:
- hustota difúzneho toku je priamo úmerná koncentrácii s koeficientom difúzie;
- Rýchlosť zmeny hustoty difúzneho toku je priamo úmerná rýchlosti zmeny koncentrácie a má opačný smer.
Difúzia v kvapaline je charakterizovaná skokmi molekúl z jednej rovnovážnej polohy do druhej. Každý takýto skok je pozorovaný, keď je molekule odovzdaná energia v objeme dostatočnom na prerušenie väzby s inými časticami. Priemerný skok nepresahuje vzdialenosť medzi molekulami.
Pri diskusii o tom, čo je difúzia v kvapaline, si všimneme, že proces závisí od teploty. S jeho nárastom dochádza k „uvoľňovaniu“tekutej štruktúry, v dôsledku čoho dochádza k prudkému nárastupočet skokov za jednotku času.
Difúzia v plynoch, kvapalinách a pevných látkach má určité charakteristické vlastnosti. Napríklad v pevných látkach je mechanizmus spojený s pohybom atómov v kryštálovej mriežke.
Funkcie fenoménu
Difúzia v kvapaline má praktický význam, pretože je sprevádzaná vyrovnávaním koncentrácie látky v pôvodne nehomogénnom prostredí. Z oblastí s vysokou koncentráciou uniká podstatne viac častíc.
Experimenty
Experimenty s kvapalinami ukázali, že difúzia má mimoriadny význam v chemickej kinetike. V priebehu chemického procesu na povrchu reaktantov alebo katalyzátora tento proces prispieva k určovaniu rýchlosti odstraňovania produktov reakcie a pridávania počiatočných činidiel.
Čo vysvetľuje difúziu v kvapalinách? Molekuly rozpúšťadla sú schopné preniknúť cez priesvitné membrány, čo vedie k osmotickému tlaku. Tento jav našiel uplatnenie v chemických a fyzikálnych metódach separácie látok.
Biologické systémy
V tomto prípade možno modely difúzie uvažovať na príklade vstupu vzdušného kyslíka do pľúc, absorpcie tráviacich produktov z čreva do krvi, absorpcie minerálnych prvkov koreňovými vláskami. K difúzii iónov dochádza pri vytváraní bioelektrických impulzov svalovými a nervovými bunkami.
Fyzický faktor, ktorý ovplyvňujeselektivita akumulácie určitých prvkov v bunkách tela je rozdielna rýchlosť prenikania iónov cez bunkové membrány. Tento proces možno vyjadriť Fickovým zákonom, pričom hodnotu difúzneho koeficientu nahradíme priepustnosťou membrány a namiesto koncentračného gradientu použijeme rozdiel hodnôt na oboch stranách membrány. S difúznym prienikom vody a plynov do bunky sa indikátory osmotického tlaku mimo a vnútri bunky menia.
Pri analýze toho, od čoho závisí difúzia, poznamenávame, že existuje niekoľko typov tohto procesu. Jednoduchá forma je spojená s voľným prenosom iónov a molekúl smerom ku gradientu ich elektrochemického potenciálu. Táto možnosť je napríklad vhodná pre látky, ktorých molekuly majú malú veľkosť, napríklad metylalkohol, voda.
Obmedzený variant predpokladá slabý prenos hmoty. Napríklad ani malé častice nemôžu preniknúť do bunky.
Stránky s históriou
Difúzia bola objavená počas rozkvetu starovekej gréckej kultúry. Democritus a Anaxogoras boli presvedčení, že každá látka pozostáva z atómov. Rôznorodosť látok bežných v prírode vysvetlili spojeniami medzi jednotlivými atómami. Predpokladali, že tieto častice sa môžu miešať a vytvárať nové látky. Medzi zakladateľmi molekulárno-kinetickej teórie, ktorá vysvetlila mechanizmus difúzie, zohral osobitnú úlohu Michail Lomonosov. Dali definíciu molekule, atómu a vysvetlili mechanizmus rozpúšťania.
Experimenty
Skúsenosti s cukrom vám umožňujú pochopiť všetky vlastnosti difúzie. Ak do studeného čaju dáte kúsok cukru, na dne šálky sa vám postupne vytvorí hustý sirup. Je to viditeľné voľným okom. Po určitom čase sa sirup rovnomerne rozloží po celom objeme tekutiny a už nebude viditeľný. Tento proces prebieha spontánne a nezahŕňa miešanie zložiek roztoku. Podobne sa po miestnosti šíri vôňa parfumu.
Vyššie uvedené experimenty ukazujú, že difúzia je spontánny proces prenikania molekúl jednej látky do druhej. K šíreniu hmoty dochádza všetkými smermi, napriek prítomnosti gravitácie. Takýto proces je priamym potvrdením neustáleho pohybu molekúl hmoty.
V uvedenom príklade sa teda uskutočňuje difúzia molekúl cukru a vody, ktorá je sprevádzaná rovnomerným rozložením molekúl organickej hmoty v celom objeme kvapaliny.
Experimenty umožňujú odhaliť difúziu nielen v kvapalinách, ale aj v plynných látkach. Napríklad na váhu môžete nainštalovať nádobu s éterovými parami. Postupne sa poháre dostanú do rovnováhy, potom bude pohár éteru ťažší. Aký je dôvod tohto javu?
Postupom času sa molekuly éteru zmiešajú s časticami vzduchu a v miestnosti začne byť cítiť špecifický zápach. Na stredoškolskom kurze fyziky sa uvažuje o pokuse, pri ktorom učiteľ rozpustí zrnko manganistanu draselného (manganistanu draselného) vo vode. Najprv je viditeľná jasná trajektória pohybu zrna,ale postupne celé riešenie získa jednotný odtieň. Na základe experimentu učiteľ vysvetľuje vlastnosti difúzie.
Na identifikáciu faktorov, ktoré ovplyvňujú rýchlosť procesu v kvapalinách, môžete použiť vodu rôznych teplôt. V horúcej kvapaline je proces vzájomného miešania molekúl pozorovaný oveľa rýchlejšie, preto existuje priamy vzťah medzi hodnotou teploty a rýchlosťou difúzie.
Záver
Experimenty s plynmi, kvapalinami a pevnými látkami umožňujú formulovať fyzikálne zákony, stanoviť vzťah medzi jednotlivými veličinami.
Výsledkom experimentov bolo zistenie mechanizmu vzájomného prenikania častíc jednej látky do druhej, preukázaná chaotická povaha ich pohybu. Empiricky sa zistilo, že k difúzii dochádza najrýchlejšie v plynných látkach. Tento proces má veľký význam pre divokú prírodu, používa sa vo vede a technike.
Vďaka tomuto javu sa zachováva homogénne zloženie zemskej atmosféry. Inak by sa pozorovalo rozvrstvenie troposféry na samostatné plynné látky a najbližšie k povrchu našej planéty by bol ťažký oxid uhličitý, nevhodný na dýchanie. K čomu by to viedlo? Divoká zver by jednoducho prestala existovať.
Úloha šírenia vo svete rastlín je tiež skvelá. Sviežu korunu stromov možno vysvetliť difúznou výmenou cez povrch listov. V dôsledku toho sa vykonáva nielen dýchanie, ale aj výživa stromu. V súčasnosti v poľnohospodárstvepoužíva sa listové kŕmenie kríkov a stromov, čo zahŕňa postrek koruny špeciálnymi chemickými zlúčeninami.
Práve počas difúzie rastlina prijíma živiny z pôdy. S týmto javom sú spojené aj fyziologické procesy prebiehajúce v živých organizmoch. Napríklad rovnováha soli nie je možná bez difúzie. Takéto procesy majú veľký význam pri zásobovaní jazier a riek kyslíkom. Plyn vstupuje do hĺbky zásobníka presne difúziou. Ak by takýto proces neexistoval, život vo vnútri nádrže by prestal existovať.
Príjem liekov, ktoré umožňujú človeku chrániť sa pred patogénmi rôznych chorôb a zlepšujú pohodu, je tiež založený na difúzii. Tento jav sa využíva pri zváraní kovov, výrobe cukrovej šťavy z repných lupienkov a pri príprave cukroviniek. Je ťažké nájsť také odvetvie moderného priemyslu, kde sa nepoužíva difúzia.
