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가스, 액체 또는 고체와 같은 특정 매질에서 원자와 분자의 확산은 매질 내에서 이러한 입자가 더 높은 농도의 장소에서 다른 곳으로 이동하는 경향이 있는 물리적 과정입니다. 배지 전체에서 농도가 동일해질 때까지 농도가 낮아집니다. 특정 매체에서 농도의 이러한 공간적 변화를 농도 구배라고 합니다. 확산은 이러한 농도 구배 및 매질의 온도와 관련이 있습니다.
확산은 어떻게 생성됩니까?
확산은 온도와 관련된 원자 및 분자의 움직임에 의해 생성됩니다. 기체에서 온도는 입자의 운동 에너지, 기체의 원자와 분자가 움직이는 에너지와 관련이 있습니다. 결정과 같은 고체에서 온도는 그 결정 구조에서 원자와 분자가 진동하는 에너지와 관련이 있습니다.
확산의 개념은 기체에서 명확하게 볼 수 있습니다. 기체 혼합물 내에서 원자와 분자가 모든 방향으로 무작위적으로 움직이면 혼합물이 생성되어 농도가 더 높은 곳에서 농도가 더 낮은 곳으로 입자의 순 흐름이 생성됩니다.
다음 그림은 확산의 개념을 이해하는 데 도움이 되는 체계를 보여줍니다. 첫 번째 상자에는 칸막이로 분리된 두 개의 가스가 있습니다. 칸막이가 제거되고 칸막이가 있던 다른 쪽에는 가스 중 하나의 농도가 0인 매체가 있습니다. 입자의 무작위 이동(빨간색 선은 회색 입자 중 하나의 이동을 나타냄)으로 인해 회색 입자가 검은색 입자 영역으로 순 변위가 발생하고 그 반대도 마찬가지입니다. 마지막으로, 프레임 3에서 두 입자의 농도는 매체 전체에서 동일하며 모든 입자가 계속해서 무작위로 움직인다는 사실에도 불구하고 입자의 순 변위는 더 이상 관찰되지 않습니다.
확산 속도, 즉 매질의 한 위치에서 다른 위치로 입자의 순 이동이 관찰되는 속도는 온도가 높을수록, 즉 이 물리적 현상을 유발하는 에너지가 커질수록 커집니다. 또한 농도 차이가 클수록 증가합니다. 확산 속도는 또한 입자의 질량에 따라 달라지며, 유체의 경우 점도에 따라 온도와 함께 이른바 확산 계수 D로 표현되는 요인에 따라 달라 집니다 . 이 물리적 현상은 Fick의 두 가지 법칙으로 표현됩니다.
확산은 온도로 표현되는 매질이 이미 가지고 있는 열 에너지와 연관되기 때문에 추가 에너지 기여가 필요하지 않은 물리적 프로세스입니다. 확산은 세포막을 통한 용질, 액체 및 가스의 확산과 같은 많은 자연적 과정의 일부이기 때문에 이것은 물리적 메커니즘의 근본적인 측면입니다.
삼투
삼투 또는 삼투는 반투과성 막을 통한 확산입니다. 즉, 크기에 따라 분자의 통과를 선택할 수 있는 마이크로미터 정도의 매우 작은 구멍이 있는 파티션입니다. 다음 그림에서 알 수 있듯이 물의 파란색 분자는 막의 구멍을 통과할 수 있지만 설탕과 같은 용질의 녹색 분자는 통과할 수 없습니다.
막을 통과할 수 없는 용질, 즉 설탕 분자(녹색)의 존재는 이를 통과할 수 있는 분자, 즉 물 분자(파란색)가 막 방향으로 이동하는 경향을 생성합니다. .분홍색 화살표를 따라 용액을 주입하여 멤브레인 양쪽의 농도를 균등화합니다. 그림에서 왼쪽 큐벳에는 용질이 없지만 멤브레인의 양쪽에 농도가 다른 용액이 있는 경우 프로세스는 여전히 유효합니다. 이 경우 용질 농도가 낮은 큐벳에는 저장성 용액이 있고 용질 농도가 높은 큐벳에는 고장성 용액이 있습니다.
물 분자가 고농도 유역으로 이동하려는 이러한 경향은 삼투압이라고 하는 해당 방향으로의 압력을 생성합니다. 물 분자의 통과로 인해 두 큐벳의 농도가 같아지면 등장액이 얻어집니다. 물 분자가 계속해서 멤브레인을 통과하더라도 어느 방향으로든 분명한 경향이 없습니다.
다음 그림과 같이 두 용액을 열린 튜브에 넣으면 농도가 가장 높은 가지가 다른 가지에 대해 상승하는 것을 볼 수 있습니다. 이것은 멤브레인의 삼투압 때문입니다.
이전 그림에서 개략적으로 설명한 것과 같은 시스템에서 가장 높은 농도의 용액이 삼투압에 반대되는 압력을 받는 경우 삼투압 방향으로 멤브레인을 통해 물의 순 플럭스가 달성될 수 있습니다. 덜 집중된 가지. 이것은 삼투의 역 과정으로 생각할 수 있으며, 이것이 역삼투라고 불리는 이유입니다. 이 프로세스는 수질 정화 메커니즘에 사용됩니다.
자연 과정에서 확산의 몇 가지 예
생명의 근본적인 과정 중 하나는 호흡입니다. 호흡과 관련된 과정에는 가스의 확산, 혈액 내 산소의 확산, 확산에 의해 발생하는 이산화탄소의 제거가 포함됩니다. 폐에서 이산화탄소는 혈액에서 공기 중으로 확산된 다음 내쉬며 폐포에서 일어나는 과정입니다. 이산화탄소를 제거한 후 적혈구는 공기에서 혈액으로 확산되는 산소를 흡수합니다.
세포에서는 역 교환이 발생합니다. 세포 과정에서 발생하는 이산화탄소와 폐기물은 조직의 세포에서 혈액으로 확산되는 반면 혈액의 산소, 포도당 및 기타 영양소는 조직으로 확산됩니다. 이러한 확산 과정은 혈액 순환계의 모세혈관에서 발생합니다.
다양한 과정과 관련된 확산 메커니즘은 식물 세포와 조직에서도 관찰됩니다. 식물의 잎에서 일어나는 광합성은 가스 확산과 관련이 있습니다. 공기의 이산화탄소와 태양 에너지는 포도당과 산소로 변환됩니다. 이산화탄소는 기공이라고 하는 작은 구멍을 통해 공기 중에서 잎으로 확산됩니다. 그리고 광합성으로 생성된 산소는 기공을 통해서도 잎에서 공기 중으로 확산됩니다.
세포막을 통한 포도당과 같은 큰 분자의 확산은 소위 촉진 확산을 통해 발생합니다. 이러한 분자는 특정 크기와 모양을 가진 분자만 통과할 수 있는 구멍을 나타내는 세포막에 내장된 단백질 채널인 운반체 단백질의 도움으로 막을 통과합니다. 촉진 확산 과정은 또한 추가 에너지가 필요하지 않으므로 직접 확산과 마찬가지로 수동 수송으로도 간주됩니다.
삼투압 메커니즘은 신장의 세뇨관에서 물을 재흡수하는 과정과 조직 모세혈관에서 체액을 재흡수하는 과정에서 찾을 수 있습니다. 식물의 뿌리에 물이 결합하는 것은 삼투압에 의해 생성되며 안정성을 위해서도 매우 중요한 과정입니다. 식물이 시들면 액포에 물이 부족하기 때문입니다. 액포는 물을 동반하고 세포막에 삼투압을 가함으로써 식물 구조를 단단하게 유지합니다.
출처
Bokshtein, BS Mendelev, MI Srolovitz, DJ 편집자. 재료 과학의 열역학 및 역학: 단기 과정 . 재료 과학의 열역학 및 역학: 단기 과정. 옥스포드 대학 출판부, 옥스포드, 2005.
Philibert, J. 확산의 1.5세기: Fick, Einstein, 이전 및 이후 . 확산 기초 2, 2005.
