Khuếch tán là gì?

Sự khuếch tán của các nguyên tử và phân tử trong một môi trường nhất định, có thể là chất khí, chất lỏng hoặc chất rắn, là một quá trình vật lý mà qua đó có xu hướng dịch chuyển các phần tử này trong môi trường từ nơi có nồng độ cao hơn sang nơi có nồng độ cao hơn. nồng độ thấp hơn, cho đến khi nồng độ giống nhau trong toàn bộ môi trường. Những biến đổi không gian của nồng độ trong một môi trường nhất định được gọi là gradien nồng độ. Sự khuếch tán có liên quan đến các gradient nồng độ này và với nhiệt độ của môi trường.

Sự khuếch tán được tạo ra như thế nào?

Hiện tượng khuếch tán sinh ra do sự chuyển động của các nguyên tử, phân tử kết hợp với nhiệt độ. Trong chất khí, nhiệt độ có liên quan đến động năng của các hạt, năng lượng mà các nguyên tử và phân tử của chất khí chuyển động. Trong chất rắn, chẳng hạn như tinh thể, nhiệt độ liên quan đến năng lượng mà các nguyên tử và phân tử dao động trong cấu trúc tinh thể đó.

Có thể thấy rõ ý tưởng về sự khuếch tán trong một chất khí. Chuyển động ngẫu nhiên theo mọi hướng của các nguyên tử và phân tử trong hỗn hợp khí, ở tốc độ cao, tạo ra hỗn hợp của chúng, tạo ra dòng chảy ròng của các hạt từ nơi có nồng độ cao hơn đến nơi có nồng độ thấp hơn.

Hình dưới đây cho thấy một sơ đồ giúp hiểu khái niệm khuếch tán. Trong hộp đầu tiên có hai khí được ngăn cách bởi một vách ngăn: vách ngăn bị loại bỏ và bạn có một môi trường trong đó nồng độ của một trong các khí bằng 0 ở phía bên kia nơi đặt vách ngăn. Chuyển động ngẫu nhiên của các hạt (đường màu đỏ biểu thị chuyển động của một trong các hạt màu xám) gây ra sự dịch chuyển ròng của các hạt màu xám về phía khu vực của các hạt màu đen và ngược lại. Cuối cùng, trong khung 3, nồng độ của cả hai hạt là như nhau trong toàn bộ môi trường và sự dịch chuyển ròng của các hạt không còn quan sát được nữa, mặc dù thực tế là tất cả các hạt tiếp tục chuyển động ngẫu nhiên.

Tốc độ khuếch tán, tức là tốc độ mà tại đó quan sát thấy sự truyền ròng của các hạt từ nơi này sang nơi khác trong môi trường, sẽ càng lớn khi nhiệt độ càng cao, tức là năng lượng điều khiển hiện tượng vật lý này càng lớn. Và nó cũng sẽ tăng lên khi chênh lệch nồng độ càng lớn. Tốc độ khuếch tán cũng phụ thuộc vào khối lượng của các hạt và, trong trường hợp chất lỏng, vào độ nhớt của nó, các yếu tố được biểu thị cùng với nhiệt độ trong cái gọi là hệ số khuếch tán D . Hiện tượng vật lý này được thể hiện bằng hai định luật Fick.

Khuếch tán là một quá trình vật lý không cần đóng góp thêm năng lượng, vì nó liên quan đến năng lượng nhiệt mà môi trường đã có, được biểu thị bằng nhiệt độ. Đó là một khía cạnh cơ bản của cơ chế vật lý này, vì sự khuếch tán là một phần của nhiều quá trình tự nhiên như sự khuếch tán của chất hòa tan, chất lỏng và chất khí qua màng tế bào.

thẩm thấu

Thẩm thấu, hay thẩm thấu, là sự khuếch tán qua màng bán thấm: một phân vùng có các lỗ rất nhỏ, theo thứ tự micromet, cho phép các phân tử đi qua được lựa chọn theo kích thước của chúng. Như hình dưới đây cho thấy: các phân tử màu xanh lam của nước có thể đi qua các lỗ trên màng, nhưng các phân tử màu xanh lá cây của chất tan như đường thì không thể.

Sự hiện diện của một chất tan không thể xuyên qua màng, nghĩa là các phân tử đường (màu xanh lá cây), tạo ra xu hướng của các phân tử có thể đi qua nó, nghĩa là các phân tử nước (màu xanh lam), di chuyển theo hướng của màng .dung dịch, theo mũi tên màu hồng, để cố gắng cân bằng nồng độ ở cả hai phía của màng. Trong hình không có chất tan trong cuvet bên trái, nhưng quá trình vẫn có hiệu lực khi có dung dịch với nồng độ khác nhau ở hai bên màng. Trong trường hợp này, chúng ta sẽ có dung dịch nhược trương trong cuvet có nồng độ chất tan thấp và dung dịch ưu trương trong cuvet có nồng độ chất tan cao.

Xu hướng này của các phân tử nước di chuyển về phía lưu vực có nồng độ cao hơn tạo ra áp suất theo hướng đó, được gọi là áp suất thẩm thấu. Khi các phân tử nước đi qua để cân bằng nồng độ trong cả hai cuvet, sẽ thu được các dung dịch đẳng trương; ngay cả khi các phân tử nước tiếp tục đi qua màng, không có xu hướng rõ ràng theo cả hai hướng.

Nếu cho cả hai dung dịch vào các ống hở như hình vẽ sau, ta sẽ thấy nhánh chứa dung dịch có nồng độ cao nhất sẽ dâng lên so với nhánh còn lại; điều này là do áp suất thẩm thấu trong màng.

Nếu trong một hệ thống giống như hệ thống được mô tả dưới dạng sơ đồ trong hình trước, dung dịch có nồng độ cao nhất phải chịu một áp suất tác dụng ngược với áp suất thẩm thấu, thì có thể đạt được một dòng nước ròng qua màng theo hướng của áp suất thẩm thấu .phân nhánh ít tập trung hơn. Nó có thể được coi là một quá trình ngược lại với thẩm thấu, đó là lý do tại sao nó được gọi là thẩm thấu ngược. Quá trình này được sử dụng trong các cơ chế lọc nước.

Một số ví dụ về khuếch tán trong các quá trình tự nhiên

Một trong những quá trình cơ bản của sự sống là thở. Các quá trình liên quan đến hô hấp bao gồm sự khuếch tán khí, sự khuếch tán oxy trong máu và loại bỏ carbon dioxide, cũng xảy ra bằng cách khuếch tán. Trong phổi, carbon dioxide khuếch tán từ máu vào không khí sau đó được thở ra, một quá trình diễn ra trong phế nang phổi. Sau khi loại bỏ carbon dioxide, các tế bào hồng cầu lấy oxy khuếch tán từ không khí vào máu.

Trong các tế bào, quá trình trao đổi ngược xảy ra: carbon dioxide và chất thải từ các quá trình tế bào khuếch tán từ tế bào của mô vào máu, trong khi oxy, glucose và các chất dinh dưỡng khác từ máu khuếch tán vào mô. Các quá trình khuếch tán này xảy ra trong các mao mạch của hệ tuần hoàn máu.

Các cơ chế khuếch tán liên quan đến các quá trình khác nhau cũng được quan sát thấy trong tế bào và mô thực vật. Quá trình quang hợp xảy ra ở lá cây có liên quan đến sự khuếch tán khí: carbon dioxide từ không khí và năng lượng mặt trời được chuyển hóa thành glucose và oxy. Khí cacbonic khuếch tán từ không khí vào lá qua các lỗ nhỏ gọi là khí khổng. Và oxy được tạo ra trong quá trình quang hợp cũng khuếch tán từ lá vào không khí thông qua khí khổng.

Sự khuếch tán của các phân tử lớn, chẳng hạn như glucose, qua màng tế bào, xảy ra thông qua cái gọi là khuếch tán thuận lợi. Các phân tử này đi qua màng với sự trợ giúp của các protein vận chuyển, các kênh protein được nhúng trong màng tế bào đại diện cho các lỗ mở chỉ cho phép các phân tử có kích thước và hình dạng nhất định đi qua. Quá trình khuếch tán được tạo điều kiện cũng không cần thêm năng lượng, vì vậy nó cũng được coi là vận chuyển thụ động, giống như khuếch tán trực tiếp.

Cơ chế thẩm thấu có thể được tìm thấy trong quá trình tái hấp thu nước ở ống thận và tái hấp thu chất lỏng ở mao mạch mô. Sự kết hợp của nước trong rễ cây được tạo ra bởi sự thẩm thấu, một quá trình cũng rất quan trọng đối với sự ổn định của nó. Khi thực vật khô héo là do không bào của chúng thiếu nước; Không bào giữ cho cấu trúc thực vật cứng lại bằng cách cuốn theo nước và tạo áp suất thẩm thấu qua màng tế bào.

nguồn

Bokshtein, BS Mendelev, MI Srolovitz, biên tập viên DJ. Nhiệt động lực học và Động học trong Khoa học Vật liệu: Khóa học ngắn hạn . Nhiệt động lực học và Động học trong Khoa học Vật liệu: Một khóa học ngắn hạn. Nhà xuất bản Đại học Oxford, Oxford, 2005.

Philibert, J. Một thế kỷ rưỡi truyền bá: Fick, Einstein, trước và sau này . Nguyên tắc cơ bản về khuếch tán 2, 2005.