Какво е дифузия?

Дифузията на атоми и молекули в определена среда, независимо дали е газ, течност или твърдо вещество, е физически процес, чрез който има тенденция да има изместване на тези частици в средата от място с по-висока концентрация до друго, където концентрацията е по-ниска, докато концентрацията стане еднаква в цялата среда. Тези пространствени вариации на концентрацията в определена среда се наричат ​​концентрационни градиенти. Дифузията е свързана с тези концентрационни градиенти и с температурата на средата.

Как се генерира дифузия?

Дифузията се генерира от движението на атоми и молекули, свързани с температурата. В газа температурата е свързана с кинетичната енергия на частиците, енергията, с която се движат атомите и молекулите на газа. В твърдо тяло, като кристал, температурата е свързана с енергията, с която атомите и молекулите вибрират в тази кристална структура.

Идеята за дифузия може ясно да се види в газ. Случайното движение във всички посоки на атоми и молекули в смес от газове, при високи скорости, генерира тяхната смес, произвеждайки нетен поток от частици от място с по-висока концентрация до друго с по-ниска концентрация.

Следващата фигура показва схема, която помага да се разбере концепцията за дифузия. В първото поле има два газа, разделени от преграда: преградата е премахната и имате среда, в която концентрацията на един от газовете е 0 от другата страна на мястото, където е била разположена преградата. Случайното движение на частиците (червената линия представлява движението на една от сивите частици) води до нетно изместване на сивите частици към областта на черните частици и обратно. И накрая, в рамка 3 концентрацията на двете частици е една и съща в цялата среда и вече не се наблюдава нетно изместване на частиците, въпреки факта, че всички частици продължават да се движат произволно.

Скоростта на дифузия, тоест скоростта, с която се наблюдава нетен трансфер на частици от едно място на друго в средата, ще бъде по-голяма, колкото по-висока е температурата, тоест колкото по-голяма е енергията, която задвижва това физическо явление. И също така ще се увеличи колкото по-голяма е разликата в концентрацията. Скоростта на дифузия също зависи от масата на частиците и, в случай на течност, от нейния вискозитет, фактори, които се изразяват, заедно с температурата, в така наречения коефициент на дифузия D . Това физическо явление се изразява с двата закона на Фик.

Дифузията е физически процес, който не изисква допълнителен принос на енергия, тъй като е свързан с топлинната енергия, която средата вече притежава, изразена чрез температура. Това е основен аспект на този физически механизъм, тъй като дифузията е част от много естествени процеси като дифузията на разтворени вещества, течности и газове през клетъчните мембрани.

осмоза

Осмозата или осмозата е дифузия през полупропусклива мембрана: преграда, която има много малки дупки от порядъка на микрометри, които позволяват преминаването на молекули да бъде избрано според техния размер. Както показва следната фигура: сините молекули, тези на водата, могат да преминат през дупките в мембраната, но зелените молекули, тези на разтворено вещество като захарта, не могат.

Наличието на разтворено вещество, което не може да премине през мембраната, т.е. захарните молекули (зелено), генерира тенденция на молекулите, които могат да го преминат, т.е. водните молекули (синьо), да се движат в посока на мембраната , разтвора, следвайки розовата стрелка, за да се опитате да изравните концентрациите от двете страни на мембраната. На фигурата няма разтворено вещество в лявата кювета, но процесът все още е валиден, когато има разтвор с различни концентрации от двете страни на мембраната. В този случай ще имаме хипотоничен разтвор в кюветата с ниска концентрация на разтворено вещество и хипертоничен разтвор в тази с висока концентрация на разтворено вещество.

Тази тенденция на водните молекули да преминават към басейна с по-висока концентрация генерира налягане в тази посока, което се нарича осмотично налягане. Когато преминаването на водните молекули успее да изравни концентрацията в двете кювети се получават изотонични разтвори; дори когато водните молекули продължават да преминават през мембраната, няма ясна тенденция в двете посоки.

Ако и двата разтвора се поставят в отворени епруветки, както е показано на следващата фигура, ще видим, че клонът с разтвор с най-висока концентрация ще се издигне по отношение на другия; това се дължи на осмотичното налягане в мембраната.

Ако в система като тази, описана схематично на предходната фигура, разтворът с най-висока концентрация е подложен на налягане, което действа срещу осмотичното налягане, може да се постигне нетен поток от вода през мембраната в посока на осмотичното налягане , по-слабо концентриран клон. Може да се разглежда като обратен процес на осмозата, поради което се нарича обратна осмоза. Този процес се използва в механизмите за пречистване на водата.

Някои примери за дифузия в природни процеси

Един от основните процеси за живота е дишането. Процесите, свързани с дишането, включват дифузия на газове, дифузия на кислород в кръвта и елиминиране на въглероден диоксид, което също се случва чрез дифузия. В белите дробове въглеродният диоксид дифундира от кръвта във въздуха, който след това се издишва, процес, който протича в белодробните алвеоли. След отстраняване на въглеродния диоксид, червените кръвни клетки поемат кислорода, който дифундира от въздуха в кръвта.

В клетките се извършва обратният обмен: въглеродният диоксид и отпадъците от клетъчните процеси дифундират от клетките на тъканите в кръвта, докато кислородът, глюкозата и други хранителни вещества от кръвта дифундират в тъканите. Тези процеси на дифузия протичат в капилярите на кръвоносната система.

Дифузионни механизми, свързани с различни процеси, се наблюдават и в растителните клетки и тъкани. Фотосинтезата, която се случва в листата на растенията, е свързана с дифузията на газовете: въглеродният диоксид от въздуха и слънчевата енергия се трансформират в глюкоза и кислород. Въглеродният диоксид дифундира от въздуха в листата през малки отвори, наречени устица. А кислородът, който се произвежда при фотосинтезата, дифундира от листата към въздуха също през устицата.

Дифузията на големи молекули, като глюкоза, през клетъчните мембрани става чрез така наречената улеснена дифузия. Тези молекули преминават през мембрани с помощта на протеини-носители, протеинови канали, вградени в клетъчните мембрани, които представляват отвори, които позволяват преминаването само на молекули с определен размер и форма. Улесненият процес на дифузия също не изисква допълнителна енергия, така че също се счита за пасивен транспорт, точно както директната дифузия.

Осмотични механизми могат да бъдат открити в процесите на реабсорбция на вода в тубулите на бъбреците и в реабсорбцията на течности в тъканните капиляри. Вграждането на вода в корените на растенията се получава чрез осмоза, много важен процес и за неговата стабилност. Когато растенията изсъхват, това се дължи на липса на вода в техните вакуоли; Вакуолите държат растителните структури твърди, като увличат вода и упражняват осмотично налягане върху клетъчните мембрани.

Източници

Бокщейн, Б. С. Менделев, М. И. Сроловиц, DJ редактори. Термодинамика и кинетика в науката за материалите: кратък курс . Термодинамика и кинетика в науката за материалите: кратък курс. Oxford University Press, Оксфорд, 2005 г.

Philibert, J. Един век и половина разпространение: Фик, Айнщайн, преди и отвъд . Основи на дифузията 2, 2005 г.