Hvad er diffusion?

Diffusionen af ​​atomer og molekyler i et bestemt medium, hvad enten det er en gas, en væske eller et fast stof, er en fysisk proces, hvorigennem der har tendens til at være en forskydning af disse partikler i mediet fra et sted med højere koncentration til et andet, hvor koncentrationen er lavere, indtil koncentrationen er den samme i hele mediet. Disse rumlige variationer af koncentration i et bestemt medium kaldes koncentrationsgradienter. Diffusion er forbundet med disse koncentrationsgradienter og med mediets temperatur.

Hvordan skabes diffusion?

Diffusion genereres ved bevægelse af atomer og molekyler forbundet med temperatur. I en gas er temperaturen forbundet med partiklernes kinetiske energi, den energi som gassens atomer og molekyler bevæger sig med. I et fast stof, såsom en krystal, er temperaturen forbundet med den energi, som atomerne og molekylerne vibrerer med i den krystallinske struktur.

Ideen om diffusion kan tydeligt ses i en gas. Den tilfældige bevægelse i alle retninger af atomer og molekyler i en blanding af gasser, ved høje hastigheder, genererer deres blanding, hvilket producerer en nettostrøm af partikler fra et sted med højere koncentration til et andet med lavere koncentration.

Den følgende figur viser et skema, der hjælper med at forstå diffusionsbegrebet. I den første boks er der to gasser adskilt af en skillevæg: skillevæggen fjernes, og man har et medie, hvor koncentrationen af ​​en af ​​gasserne er 0 på den anden side af, hvor skillevæggen var placeret. Den tilfældige bevægelse af partiklerne (den røde linje repræsenterer bevægelsen af ​​en af ​​de grå partikler) bevirker, at der sker en nettoforskydning af de grå partikler mod området af de sorte partikler og omvendt. Endelig, i ramme 3 er koncentrationen af ​​begge partikler den samme i hele mediet, og en nettoforskydning af partikler observeres ikke længere, på trods af at alle partiklerne fortsætter med at bevæge sig tilfældigt.

Diffusionshastigheden, det vil sige den hastighed, hvormed en nettooverførsel af partikler fra et sted til et andet i mediet iagttages, vil være større, jo højere temperaturen er, det vil sige jo større energi, der driver dette fysiske fænomen. Og det vil også stige, jo større koncentrationsforskellen er. Diffusionshastigheden afhænger også af partiklernes masse og, for en væskes vedkommende, af dens viskositet faktorer, der sammen med temperaturen udtrykkes i den såkaldte diffusionskoefficient D . Dette fysiske fænomen kommer til udtryk i Ficks to love.

Diffusion er en fysisk proces, der ikke kræver et ekstra bidrag af energi, da det er forbundet med den termiske energi, som mediet allerede har, udtrykt ved temperatur. Det er et grundlæggende aspekt af denne fysiske mekanisme, da diffusion er en del af mange naturlige processer såsom diffusion af opløste stoffer, væsker og gasser gennem cellemembraner.

osmose

Osmose, eller osmose, er diffusionen gennem en semipermeabel membran: en skillevæg, der har meget små huller i størrelsesordenen mikrometer, som gør det muligt at vælge molekylers passage efter deres størrelse. Som den følgende figur viser: de blå molekyler, dem fra vand, kan passere gennem hullerne i membranen, men de grønne molekyler, dem fra et opløst stof som sukker, kan ikke.

Tilstedeværelsen af ​​et opløst stof, der ikke kan krydse membranen, det vil sige sukkermolekylerne (grønt), genererer en tendens hos de molekyler, der kan krydse det, det vil sige vandmolekylerne (blå), til at bevæge sig i retning af membranen Opløsningen, efter den lyserøde pil, for at forsøge at udligne koncentrationerne på begge sider af membranen. På figuren er der ikke noget opløst stof i venstre kuvette, men processen er stadig gyldig, når der er en opløsning med forskellige koncentrationer på begge sider af membranen. I dette tilfælde vil vi have en hypotonisk opløsning i kuvetten med en lav koncentration af opløst stof og en hypertonisk opløsning i den med en høj koncentration af opløst stof.

Denne tendens hos vandmolekylerne til at passere mod det højere koncentrationsbassin genererer et tryk i den retning, som kaldes osmotisk tryk. Når passagen af ​​vandmolekylerne formår at udligne koncentrationen i begge kuvetter, opnås isotoniske opløsninger; selv når vandmolekylerne fortsætter med at passere gennem membranen, er der ingen klar tendens i begge retninger.

Hvis begge opløsninger placeres i åbne rør, som vist i følgende figur, vil vi se, at grenen med den højeste koncentration af opløsning vil stige i forhold til den anden; dette skyldes osmotisk tryk i membranen.

Hvis opløsningen med den højeste koncentration i et system som det, der er beskrevet skematisk i den foregående figur, udsættes for et tryk, der virker mod det osmotiske tryk, kan der opnås en nettostrøm af vand gennem membranen i retning af det osmotiske tryk mindre koncentreret gren. Det kan opfattes som en omvendt proces til osmose, hvorfor det kaldes omvendt osmose. Denne proces bruges i vandrensningsmekanismer.

Nogle eksempler på diffusion i naturlige processer

En af de grundlæggende processer for livet er vejrtrækning. Processerne forbundet med respiration omfatter diffusion af gasser, diffusion af ilt i blodet og eliminering af kuldioxid, som også sker ved diffusion. I lungerne diffunderer kuldioxid fra blodet ud i luften, som derefter udåndes, en proces, der finder sted i lungealveolerne. Efter at have fjernet kuldioxid, optager de røde blodlegemer den ilt, der diffunderer fra luften ind i blodet.

I celler sker den omvendte udveksling: kuldioxid og affald fra cellulære processer diffunderer fra cellerne i vævene ind i blodet, mens ilt, glukose og andre næringsstoffer fra blodet diffunderer ind i vævene. Disse diffusionsprocesser forekommer i blodcirkulationssystemets kapillærer.

Diffusionsmekanismer forbundet med forskellige processer observeres også i planteceller og væv. Den fotosyntese, der sker i planters blade, er forbundet med diffusion af gasser: kuldioxid fra luften og solenergi omdannes til glukose og ilt. Kuldioxid diffunderer fra luften ind i bladene gennem små åbninger kaldet stomata. Og ilten, der produceres i fotosyntesen, diffunderer fra bladene til luften også gennem stomata.

Diffusionen af ​​store molekyler, såsom glucose, gennem cellemembraner, sker gennem den såkaldte faciliterede diffusion. Disse molekyler passerer gennem membraner ved hjælp af bærerproteiner, proteinkanaler indlejret i cellemembraner, der repræsenterer åbninger, der kun tillader molekyler med en vis størrelse og form at passere igennem. Den faciliterede diffusionsproces kræver heller ikke ekstra energi, så den betragtes også som passiv transport ligesom direkte diffusion.

Osmotiske mekanismer kan findes i processer med reabsorption af vand i nyrernes tubuli og i reabsorption af væsker i vævskapillærerne. Inkorporeringen af ​​vand i planternes rødder frembringes ved osmose, en meget vigtig proces også for dens stabilitet. Når planter visner, skyldes det mangel på vand i deres vakuoler; Vakuoler holder plantestrukturer stive ved at inddrage vand og udøve osmotisk tryk på tværs af cellemembraner.

Kilder

Bokshtein, BS Mendelev, MI Srolovitz, DJ-redaktører. Termodynamik og kinetik i materialevidenskab: et kort kursus . Termodynamik og kinetik i materialevidenskab: et kort kursus. Oxford University Press, Oxford, 2005.

Philibert, J. Et og et halvt århundredes spredning: Fick, Einstein, før og efter . Diffusion Fundamentals 2, 2005.