Czym jest dyfuzja?

Dyfuzja atomów i cząsteczek w określonym środowisku, czy to gazowym, ciekłym czy stałym, jest procesem fizycznym, w wyniku którego następuje przemieszczenie tych cząstek w ośrodku z miejsca o wyższym stężeniu do innego, w którym stężenie jest niższe, aż stężenie będzie takie samo w całej pożywce. Te przestrzenne zmiany stężenia w określonym ośrodku nazywane są gradientami stężenia. Dyfuzja jest związana z tymi gradientami stężeń i temperaturą ośrodka.

Jak powstaje dyfuzja?

Dyfuzja jest generowana przez ruch atomów i cząsteczek związany z temperaturą. W gazie temperatura jest związana z energią kinetyczną cząstek, energią, z jaką poruszają się atomy i cząsteczki gazu. W ciele stałym, takim jak kryształ, temperatura jest związana z energią, z jaką wibrują atomy i cząsteczki w tej strukturze krystalicznej.

Idea dyfuzji jest wyraźnie widoczna w gazie. Przypadkowy ruch we wszystkich kierunkach atomów i cząsteczek w mieszaninie gazów z dużymi prędkościami generuje ich mieszaninę, wytwarzając wypadkowy przepływ cząstek z miejsca o wyższym stężeniu do innego o niższym stężeniu.

Poniższy rysunek przedstawia schemat, który pomaga zrozumieć pojęcie dyfuzji. W pierwszym pudełku znajdują się dwa gazy oddzielone przegrodą: przegroda jest usunięta i mamy ośrodek, w którym stężenie jednego z gazów wynosi 0 po drugiej stronie miejsca, w którym znajdowała się przegroda. Losowy ruch cząstek (czerwona linia reprezentuje ruch jednej z szarych cząstek) powoduje przemieszczenie netto cząstek szarych w kierunku obszaru cząstek czarnych i odwrotnie. Wreszcie, w ramce 3 stężenie obu cząstek jest takie samo w całym ośrodku i nie obserwuje się już przemieszczenia netto cząstek, pomimo faktu, że wszystkie cząstki nadal poruszają się losowo.

Szybkość dyfuzji, czyli prędkość, z jaką obserwuje się transfer netto cząstek z jednego miejsca do drugiego w ośrodku, będzie tym większa, im wyższa jest temperatura, czyli im większa jest energia napędzająca to zjawisko fizyczne. Zwiększy się również, im większa różnica stężeń. Szybkość dyfuzji zależy również od masy cząstek, aw przypadku płynu od jego lepkości, czyli czynników, które wraz z temperaturą wyrażają się w tzw. współczynniku dyfuzji D . To zjawisko fizyczne wyrażają dwa prawa Ficka.

Dyfuzja jest procesem fizycznym, który nie wymaga dodatkowego wkładu energii, ponieważ jest związana z energią cieplną, którą ośrodek już posiada, wyrażoną temperaturą. Jest to fundamentalny aspekt tego mechanizmu fizycznego, ponieważ dyfuzja jest częścią wielu naturalnych procesów, takich jak dyfuzja substancji rozpuszczonych, cieczy i gazów przez błony komórkowe.

osmoza

Osmoza lub osmoza to dyfuzja przez półprzepuszczalną membranę: przegrodę, która ma bardzo małe otwory, rzędu mikrometrów, które umożliwiają dobór cząsteczek w zależności od ich wielkości. Jak pokazuje poniższy rysunek: niebieskie cząsteczki wody mogą przechodzić przez otwory w membranie, ale zielone cząsteczki substancji rozpuszczonej, takiej jak cukier, nie.

Obecność substancji rozpuszczonej, która nie może przejść przez błonę, czyli cząsteczek cukru (kolor zielony), generuje tendencję cząsteczek, które mogą przez nią przejść, czyli cząsteczek wody (kolor niebieski), do poruszania się w kierunku błony roztwór, podążając za różową strzałką, aby spróbować wyrównać stężenia po obu stronach membrany. Na rysunku w lewej kuwecie nie ma substancji rozpuszczonej, ale proces jest nadal ważny, gdy po obu stronach membrany znajduje się roztwór o różnych stężeniach. W tym przypadku będziemy mieli roztwór hipotoniczny w kuwecie o niskim stężeniu substancji rozpuszczonej i roztwór hipertoniczny w kuwecie o wysokim stężeniu substancji rozpuszczonej.

Ta tendencja cząsteczek wody do przechodzenia w kierunku basenu o wyższym stężeniu generuje ciśnienie w tym kierunku, które nazywa się ciśnieniem osmotycznym. Gdy przepływ cząsteczek wody zrówna stężenie w obu kuwetach, uzyskuje się roztwory izotoniczne; nawet jeśli cząsteczki wody nadal przechodzą przez membranę, nie ma wyraźnego trendu w żadnym kierunku.

Jeśli oba roztwory zostaną umieszczone w otwartych probówkach, jak pokazano na poniższym rysunku, zobaczymy, że gałąź z roztworem o najwyższym stężeniu wzrośnie względem drugiej; jest to spowodowane ciśnieniem osmotycznym w membranie.

Jeśli w układzie takim jak opisany schematycznie na poprzednim rysunku roztwór o najwyższym stężeniu zostanie poddany ciśnieniu działającemu przeciw ciśnieniu osmotycznemu, można uzyskać przepływ netto wody przez membranę w kierunku ciśnienia osmotycznego mniej skoncentrowana gałąź. Można go postrzegać jako proces odwrotny do osmozy, dlatego nazywa się go odwróconą osmozą. Proces ten jest wykorzystywany w mechanizmach oczyszczania wody.

Kilka przykładów dyfuzji w procesach naturalnych

Jednym z podstawowych procesów życiowych jest oddychanie. Procesy związane z oddychaniem obejmują dyfuzję gazów, dyfuzję tlenu we krwi oraz eliminację dwutlenku węgla, która również zachodzi przez dyfuzję. W płucach dwutlenek węgla dyfunduje z krwi do powietrza, które jest następnie wydychane, proces ten zachodzi w pęcherzykach płucnych. Po usunięciu dwutlenku węgla czerwone krwinki pobierają tlen, który dyfunduje z powietrza do krwi.

W komórkach zachodzi odwrotna wymiana: dwutlenek węgla i odpady z procesów komórkowych dyfundują z komórek tkanek do krwi, podczas gdy tlen, glukoza i inne składniki odżywcze z krwi dyfundują do tkanek. Te procesy dyfuzji zachodzą w naczyniach włosowatych układu krążenia.

Mechanizmy dyfuzyjne związane z różnymi procesami obserwuje się również w komórkach i tkankach roślinnych. Fotosynteza zachodząca w liściach roślin związana jest z dyfuzją gazów: dwutlenek węgla z powietrza i energia słoneczna są przekształcane w glukozę i tlen. Dwutlenek węgla dyfunduje z powietrza do liści przez małe otwory zwane aparatami szparkowymi. A tlen wytwarzany w procesie fotosyntezy dyfunduje z liści do powietrza również przez aparaty szparkowe.

Dyfuzja dużych cząsteczek, takich jak glukoza, przez błony komórkowe zachodzi na zasadzie tzw. dyfuzji ułatwionej. Cząsteczki te przechodzą przez błony za pomocą białek nośnikowych, kanałów białkowych osadzonych w błonach komórkowych, które stanowią otwory umożliwiające przejście tylko cząsteczkom o określonym rozmiarze i kształcie. Ułatwiony proces dyfuzji również nie wymaga dodatkowej energii, więc jest również uważany za transport pasywny, podobnie jak bezpośrednia dyfuzja.

Mechanizmy osmotyczne można odnaleźć w procesach reabsorpcji wody w kanalikach nerkowych oraz reabsorpcji płynów w naczyniach włosowatych tkanek. Wprowadzanie wody do korzeni roślin odbywa się na drodze osmozy, procesu bardzo ważnego również dla ich stabilności. Kiedy rośliny więdną, jest to spowodowane brakiem wody w ich wakuolach; Wakuole utrzymują sztywność struktur roślinnych, porywając wodę i wywierając ciśnienie osmotyczne na błony komórkowe.

Źródła

Bokshtein, BS Mendelev, MI Srolovitz, redaktorzy DJ. Termodynamika i kinetyka w materiałoznawstwie: krótki kurs . Termodynamika i kinetyka w materiałoznawstwie: krótki kurs . Oxford University Press, Oxford, 2005.

Philibert, J. Półtora wieku rozpowszechnienia: Fick, Einstein, przed i poza . Podstawy rozpowszechniania 2, 2005.