difüzyon nedir?

İster gaz, sıvı veya katı olsun, belirli bir ortamdaki atomların ve moleküllerin difüzyonu, bu parçacıkların ortam içinde daha yüksek konsantrasyonlu bir yerden başka bir yere yer değiştirme eğiliminde olduğu fiziksel bir süreçtir. konsantrasyon, ortam boyunca aynı olana kadar daha düşüktür. Belirli bir ortamdaki bu uzamsal konsantrasyon değişimlerine konsantrasyon gradyanları denir. Difüzyon, bu konsantrasyon gradyanları ve ortamın sıcaklığı ile ilişkilidir.

Difüzyon nasıl üretilir?

Difüzyon, sıcaklıkla ilişkili atomların ve moleküllerin hareketi ile üretilir. Bir gazda sıcaklık, gazın atomlarının ve moleküllerinin hareket ettiği enerji olan parçacıkların kinetik enerjisi ile ilişkilidir. Kristal gibi bir katıda sıcaklık, o kristal yapıda atomların ve moleküllerin titreştiği enerji ile ilişkilidir.

Difüzyon fikri bir gazda açıkça görülebilir. Bir gaz karışımındaki atomların ve moleküllerin her yöndeki rastgele hareketi, yüksek hızlarda, karışımlarını oluşturur ve daha yüksek konsantrasyonlu bir yerden daha düşük konsantrasyonlu başka bir yere net bir parçacık akışı üretir.

Aşağıdaki şekil, difüzyon kavramını anlamaya yardımcı olan bir şema göstermektedir. İlk kutuda bir bölmeyle ayrılmış iki gaz vardır: bölme kaldırılır ve bölmenin bulunduğu diğer tarafta gazlardan birinin konsantrasyonunun 0 olduğu bir ortamınız olur. Parçacıkların rastgele hareketi (kırmızı çizgi, gri parçacıklardan birinin hareketini temsil eder), gri parçacıkların siyah parçacıkların alanına doğru net bir yer değiştirmesine neden olur ve bunun tersi de geçerlidir. Son olarak, çerçeve 3’te her iki parçacığın konsantrasyonu ortam boyunca aynıdır ve tüm parçacıkların rastgele hareket etmeye devam etmesine rağmen artık parçacıkların net yer değiştirmesi gözlemlenmez.

Difüzyon hızı, yani ortamdaki parçacıkların bir yerden başka bir yere net transferinin gözlendiği hız, sıcaklık ne kadar yüksek olursa, yani bu fiziksel olguyu yönlendiren enerji o kadar büyük olacaktır. Ayrıca konsantrasyon farkı arttıkça artacaktır. Difüzyon hızı ayrıca parçacıkların kütlesine ve bir sıvı söz konusu olduğunda viskozitesine, sıcaklıkla birlikte sözde difüzyon katsayısı D ile ifade edilen faktörlere bağlıdır . Bu fiziksel olgu, Fick’in iki yasasıyla ifade edilir.

Difüzyon, ortamın zaten sahip olduğu ve sıcaklıkla ifade edilen termal enerji ile ilişkili olduğundan, fazladan bir enerji katkısı gerektirmeyen fiziksel bir süreçtir. Difüzyon, çözünen maddelerin, sıvıların ve gazların hücre zarlarından difüzyonu gibi birçok doğal sürecin parçası olduğundan, bu fiziksel mekanizmanın temel bir yönüdür.

osmoz

Ozmoz veya ozmoz, yarı geçirgen bir zardan difüzyondur: moleküllerin boyutlarına göre seçilmesine izin veren, mikrometre mertebesinde çok küçük deliklere sahip bir bölme. Aşağıdaki şekilde gösterildiği gibi: Suyun mavi molekülleri zardaki deliklerden geçebilir, ancak şeker gibi bir çözünen maddenin yeşil molekülleri geçemez.

Zarı geçemeyen bir çözünen maddenin, yani şeker moleküllerinin (yeşil) varlığı, zarı geçebilen moleküllerin, yani su moleküllerinin (mavi) zar yönünde hareket etme eğilimini oluşturur. .pembe oku takip eden çözelti, zarın her iki tarafındaki konsantrasyonları eşitlemeye çalışır. Şekilde sol küvette çözünen yoktur, ancak zarın her iki tarafında farklı konsantrasyonlarda bir çözelti olduğunda işlem hala geçerlidir. Bu durumda, düşük çözünen konsantrasyonlu küvette hipotonik bir çözelti ve yüksek çözünen konsantrasyonlu küvette hipertonik bir çözeltimiz olacaktır.

Su moleküllerinin daha yüksek konsantrasyon havzasına geçme eğilimi, o yönde ozmotik basınç adı verilen bir basınç oluşturur. Su moleküllerinin geçişi her iki küvetteki konsantrasyonu eşitlemeyi başardığında izotonik çözeltiler elde edilir; su molekülleri zardan geçmeye devam etse bile, her iki yönde de net bir eğilim yoktur.

Her iki çözelti de aşağıdaki şekilde gösterildiği gibi açık tüplere yerleştirilirse, en yüksek konsantrasyonlu çözeltiye sahip dalın diğerine göre yükseleceğini göreceğiz; bunun nedeni zardaki ozmotik basınçtır.

Önceki şekilde şematik olarak açıklanan gibi bir sistemde, en yüksek konsantrasyona sahip çözelti, ozmotik basınca karşı etki eden bir basınca tabi tutulursa, zardan ozmotik basınç yönünde net bir su akışı elde edilebilir. .daha az konsantre dal. Ozmozun tersi bir süreç olarak tasavvur edilebilir, bu yüzden ters ozmoz olarak adlandırılır. Bu işlem su arıtma mekanizmalarında kullanılır.

Doğal süreçlerde bazı difüzyon örnekleri

Yaşam için temel süreçlerden biri nefes almaktır. Solunumla ilişkili süreçler arasında gazların difüzyonu, kandaki oksijenin difüzyonu ve yine difüzyonla meydana gelen karbondioksitin ortadan kaldırılması yer alır. Akciğerlerde, karbondioksit kandan havaya dağılır ve daha sonra akciğer alveollerinde gerçekleşen bir işlem olan ekshale edilir. Kırmızı kan hücreleri, karbondioksiti uzaklaştırdıktan sonra havadan kana yayılan oksijeni alır.

Hücrelerde ters değişim meydana gelir: oksijen, glikoz ve diğer besinler kandan dokulara yayılırken, karbondioksit ve hücresel işlemlerden kaynaklanan atıklar doku hücrelerinden kana yayılır. Bu difüzyon süreçleri, kan dolaşım sisteminin kılcal damarlarında meydana gelir.

Bitki hücre ve dokularında da çeşitli işlemlerle ilişkili difüzyon mekanizmaları gözlenir. Bitkilerin yapraklarında meydana gelen fotosentez, gazların difüzyonu ile ilişkilidir: havadaki karbondioksit ve güneş enerjisi, glikoz ve oksijene dönüşür. Karbondioksit havadan stoma adı verilen küçük açıklıklardan yapraklara yayılır. Fotosentezde üretilen oksijen de stomalar aracılığıyla yapraklardan havaya yayılır.

Glikoz gibi büyük moleküllerin hücre zarlarından difüzyonu, sözde kolaylaştırılmış difüzyon yoluyla gerçekleşir. Bu moleküller, taşıyıcı proteinler, hücre zarlarına gömülü olan ve yalnızca belirli bir boyut ve şekle sahip moleküllerin geçmesine izin veren açıklıkları temsil eden protein kanalları yardımıyla zarlardan geçerler. Kolaylaştırılmış difüzyon işlemi ayrıca ekstra enerji gerektirmez, bu nedenle doğrudan difüzyon gibi pasif taşıma olarak da kabul edilir.

Osmotik mekanizmalar, suyun böbrek tübüllerinde ve doku kılcal damarlarında sıvıların yeniden emilmesi süreçlerinde bulunabilir. Bitkilerin köklerine suyun dahil edilmesi, stabilitesi için de çok önemli bir süreç olan ozmoz ile üretilir. Bitkilerin kuruması, kofullarındaki su eksikliğinden kaynaklanır; Vakuoller, su çekerek ve hücre zarları boyunca ozmotik basınç uygulayarak bitki yapılarını sert tutar.

kaynaklar

Bokshtein, BS Mendelev, MI Srolovitz, DJ editörleri. Malzeme Biliminde Termodinamik ve Kinetik: Kısa Bir Kurs . Malzeme Biliminde Termodinamik ve Kinetik: Kısa Bir Kurs. Oxford University Press, Oxford, 2005.

Philibert, J. Bir buçuk asırlık yayılma: Fick, Einstein, öncesi ve sonrası . Difüzyon Temelleri 2, 2005.