Μεταξύ των πολυάριθμων φαινομένων στη φυσική, η διαδικασία διάχυσης είναι ένα από τα πιο απλά και κατανοητά. Μετά από όλα, κάθε πρωί, προετοιμάζοντας τον εαυτό του ένα αρωματικό τσάι ή καφέ, ένα άτομο έχει την ευκαιρία να παρατηρήσει αυτή την αντίδραση στην πράξη. Ας μάθουμε περισσότερα για αυτή τη διαδικασία και τις συνθήκες εμφάνισής της σε διαφορετικές συγκεντρωτικές καταστάσεις.
Τι είναι διάχυση
Αυτή η λέξη αναφέρεται στη διείσδυση μορίων ή ατόμων μιας ουσίας μεταξύ παρόμοιων δομικών μονάδων μιας άλλης. Σε αυτή την περίπτωση, η συγκέντρωση των διεισδυτικών ενώσεων ισοπεδώνεται.
Αυτή η διαδικασία περιγράφηκε για πρώτη φορά λεπτομερώς από τον Γερμανό επιστήμονα Adolf Fick το 1855
Το όνομα αυτού του όρου σχηματίστηκε από το λατινικό λεκτικό ουσιαστικό diffusio (αλληλεπίδραση, διασπορά, κατανομή).
Διάχυση σε υγρό
Η διαδικασία που εξετάζεται μπορεί να συμβεί με ουσίες και στις τρεις καταστάσεις συσσωμάτωσης: αέριες, υγρές και στερεές. Για πρακτικά παραδείγματα αυτού, απλώς δείτεκουζίνα.
Το μπορς στο φούρνο είναι ένα από αυτά. Υπό την επίδραση της θερμοκρασίας, τα μόρια της γλυκοσίνης βετανίνης (μια ουσία λόγω της οποίας τα παντζάρια έχουν τόσο πλούσιο κόκκινο χρώμα) αντιδρούν ομοιόμορφα με τα μόρια του νερού, δίνοντάς του μια μοναδική μπορντώ απόχρωση. Αυτή η περίπτωση είναι ένα παράδειγμα διάχυσης σε υγρά.
Εκτός από το μπορς, αυτή η διαδικασία μπορεί να παρατηρηθεί και σε ένα ποτήρι τσάι ή καφέ. Και τα δύο αυτά ποτά έχουν μια τόσο ομοιόμορφη πλούσια απόχρωση λόγω του γεγονότος ότι φύλλα τσαγιού ή σωματίδια καφέ, που διαλύονται στο νερό, απλώνονται ομοιόμορφα μεταξύ των μορίων του, χρωματίζοντάς τα. Η δράση όλων των δημοφιλών στιγμιαίων ποτών της δεκαετίας του '90 βασίζεται στην ίδια αρχή: Yupi, Invite, Zuko.
Αλληλεπίδραση αερίων
Συνεχίζοντας να ψάχνουμε περαιτέρω για εκδηλώσεις της εν λόγω διαδικασίας στην κουζίνα, αξίζει να μυρίσετε και να απολαύσετε το ευχάριστο άρωμα που αναδύεται από ένα μπουκέτο φρέσκων λουλουδιών στην τραπεζαρία. Γιατί συμβαίνει αυτό;
Τα άτομα και τα μόρια που μεταφέρουν οσμή βρίσκονται σε ενεργή κίνηση και, ως αποτέλεσμα, αναμιγνύονται με σωματίδια που βρίσκονται ήδη στον αέρα και είναι αρκετά ομοιόμορφα διασκορπισμένα στον όγκο του δωματίου.
Αυτή είναι μια εκδήλωση διάχυσης στα αέρια. Αξίζει να σημειωθεί ότι στην υπό εξέταση διαδικασία ανήκει και η ίδια η εισπνοή αέρα, καθώς και η ορεκτική μυρωδιά του φρεσκοψημένου μπορς στην κουζίνα.
Διάχυση σε στερεά
Το τραπέζι της κουζίνας με τα λουλούδια καλύπτεται με ένα έντονο κίτρινο τραπεζομάντιλο. Έλαβε μια παρόμοια απόχρωση χάρη σετην ικανότητα της διάχυσης να διέρχεται από στερεά.
Η διαδικασία να δώσεις στον καμβά κάποια ομοιόμορφη απόχρωση πραγματοποιείται σε διάφορα στάδια ως εξής.
- Σωματίδια κίτρινης χρωστικής που διαχέονται στο δοχείο μελανιού προς το ινώδες υλικό.
- Μετά απορροφήθηκαν από την εξωτερική επιφάνεια του βαμμένου υφάσματος.
- Το επόμενο βήμα ήταν και πάλι η διάχυση της βαφής, αλλά αυτή τη φορά στις ίνες του ιστού.
- Στο τελικό, το ύφασμα σταθεροποίησε τα σωματίδια χρωστικής ουσίας, και έτσι έγινε έγχρωμο.
Διάχυση αερίων σε μέταλλα
Συνήθως, μιλώντας για αυτή τη διαδικασία, εξετάστε την αλληλεπίδραση ουσιών στην ίδια κατάσταση συσσωμάτωσης. Για παράδειγμα, διάχυση σε στερεά, στερεά. Για να αποδειχθεί αυτό το φαινόμενο, πραγματοποιείται ένα πείραμα με δύο μεταλλικές πλάκες πιεσμένες μεταξύ τους (χρυσό και μόλυβδο). Η αλληλοδιείσδυση των μορίων τους διαρκεί αρκετά μεγάλο χρονικό διάστημα (ένα χιλιοστό σε πέντε χρόνια). Αυτή η διαδικασία χρησιμοποιείται για την κατασκευή ασυνήθιστων κοσμημάτων.
Ωστόσο, οι ενώσεις σε διαφορετικές καταστάσεις συσσωματωμάτων είναι επίσης ικανές να διαχέονται. Για παράδειγμα, υπάρχει διάχυση αερίων στα στερεά.
Κατά τη διάρκεια των πειραμάτων αποδείχθηκε ότι μια τέτοια διαδικασία λαμβάνει χώρα στην ατομική κατάσταση. Για να το ενεργοποιήσετε, κατά κανόνα, χρειάζεστε σημαντική αύξηση της θερμοκρασίας και της πίεσης.
Ένα παράδειγμα τέτοιας αέριας διάχυσης στα στερεά είναι η διάβρωση του υδρογόνου. Εκδηλώνεται σε καταστάσεις όπουΆτομα υδρογόνου (Ν2) που έχουν προκύψει κατά τη διάρκεια κάποιας χημικής αντίδρασης υπό την επίδραση υψηλών θερμοκρασιών (από 200 έως 650 βαθμούς Κελσίου) διεισδύουν μεταξύ των δομικών σωματιδίων του μετάλλου.
Εκτός από το υδρογόνο, διάχυση οξυγόνου και άλλων αερίων μπορεί επίσης να συμβεί στα στερεά. Αυτή η διαδικασία, ανεπαίσθητη στο μάτι, κάνει πολύ κακό, επειδή οι μεταλλικές κατασκευές μπορούν να καταρρεύσουν εξαιτίας της.
Διάχυση υγρών σε μέταλλα
Ωστόσο, όχι μόνο τα μόρια αερίου μπορούν να διεισδύσουν στα στερεά, αλλά και στα υγρά. Όπως και στην περίπτωση του υδρογόνου, τις περισσότερες φορές αυτή η διαδικασία οδηγεί σε διάβρωση (όταν πρόκειται για μέταλλα).
Ένα κλασικό παράδειγμα διάχυσης υγρών σε στερεά είναι η διάβρωση μετάλλων υπό την επίδραση νερού (H2O) ή διαλυμάτων ηλεκτρολυτών. Για τους περισσότερους, αυτή η διαδικασία είναι πιο γνωστή με το όνομα σκουριάς. Σε αντίθεση με τη διάβρωση υδρογόνου, στην πράξη πρέπει να αντιμετωπίζεται πολύ πιο συχνά.
Συνθήκες για την επιτάχυνση της διάχυσης. Συντελεστής διάχυσης
Έχοντας ασχοληθεί με τις ουσίες στις οποίες μπορεί να συμβεί η υπό εξέταση διαδικασία, αξίζει να μάθετε για τις συνθήκες εμφάνισής της.
Πρώτα απ' όλα, η ταχύτητα διάχυσης εξαρτάται από τη συνολική κατάσταση των ουσιών που αλληλεπιδρούν. Όσο μεγαλύτερη είναι η πυκνότητα του υλικού στο οποίο συμβαίνει η αντίδραση, τόσο πιο αργός είναι ο ρυθμός του.
Από αυτή την άποψη, η διάχυση σε υγρά και αέρια θα είναι πάντα πιο ενεργή από ότι στα στερεά.
Για παράδειγμα, αν οι κρύσταλλοιυπερμαγγανικό κάλιο KMnO4 (υπερμαγγανικό κάλιο) ρίξτε στο νερό, θα του δώσουν ένα όμορφο βατόμουρο χρώμα σε λίγα λεπτά Χρώμα. Ωστόσο, εάν πασπαλίσετε κρυστάλλους KMnO4 σε ένα κομμάτι πάγου και το βάλετε όλο στην κατάψυξη, μετά από μερικές ώρες, το υπερμαγγανικό κάλιο θα δεν μπορώ να χρωματίσω πλήρως το παγωμένο H 2O.
Από το προηγούμενο παράδειγμα, μπορεί να εξαχθεί ένα ακόμη συμπέρασμα σχετικά με τις συνθήκες διάχυσης. Εκτός από την κατάσταση συσσωμάτωσης, η θερμοκρασία επηρεάζει επίσης τον ρυθμό αλληλοδιείσδυσης των σωματιδίων.
Για να εξετάσετε την εξάρτηση της υπό εξέταση διαδικασίας από αυτήν, αξίζει να μάθετε για μια έννοια όπως ο συντελεστής διάχυσης. Αυτό είναι το όνομα του ποσοτικού χαρακτηριστικού της ταχύτητάς του.
Στους περισσότερους τύπους, συμβολίζεται με ένα κεφαλαίο λατινικό γράμμα D και στο σύστημα SI μετριέται σε τετραγωνικά μέτρα ανά δευτερόλεπτο (m² / s), μερικές φορές σε εκατοστά ανά δευτερόλεπτο (cm2 /m).
Ο συντελεστής διάχυσης είναι ίσος με την ποσότητα ύλης που διασκορπίζεται σε μια μονάδα επιφάνειας σε μια μονάδα χρόνου, με την προϋπόθεση ότι η διαφορά πυκνότητας και στις δύο επιφάνειες (που βρίσκεται σε απόσταση ίση με μονάδα μήκους) είναι ίση με ένα. Τα κριτήρια που καθορίζουν το D είναι οι ιδιότητες της ουσίας στην οποία λαμβάνει χώρα η ίδια η διαδικασία σκέδασης σωματιδίων και ο τύπος τους.
Η εξάρτηση του συντελεστή από τη θερμοκρασία μπορεί να περιγραφεί χρησιμοποιώντας την εξίσωση Arrhenius: D=D0exp(-E/TR).
Στον εξεταζόμενο τύπο Ε είναι η ελάχιστη ενέργεια που απαιτείται για την ενεργοποίηση της διαδικασίας. T - θερμοκρασία (μετρούμενη σε Kelvin, όχι σε Κελσίου). R-σταθερά αερίου χαρακτηριστικό ενός ιδανικού αερίου.
Εκτός από όλα τα παραπάνω, ο ρυθμός διάχυσης σε στερεά, υγρά σε αέρια επηρεάζεται από την πίεση και την ακτινοβολία (επαγωγική ή υψηλής συχνότητας). Επιπλέον, πολλά εξαρτώνται από την παρουσία μιας καταλυτικής ουσίας, η οποία συχνά δρα ως έναυσμα για την έναρξη της ενεργού διασποράς των σωματιδίων.
Εξίσωση διάχυσης
Αυτό το φαινόμενο είναι μια συγκεκριμένη μορφή της μερικής διαφορικής εξίσωσης.
Στόχος του είναι να βρει την εξάρτηση της συγκέντρωσης μιας ουσίας από το μέγεθος και τις συντεταγμένες του χώρου (στον οποίο διαχέεται), καθώς και από το χρόνο. Στην περίπτωση αυτή, ο δεδομένος συντελεστής χαρακτηρίζει τη διαπερατότητα του μέσου για την αντίδραση.
Πιο συχνά, η εξίσωση διάχυσης γράφεται ως εξής: ∂φ (r, t)/∂t=∇ x [D(φ, r) ∇ φ (r, t)].
Σε αυτό φ (t και r) είναι η πυκνότητα της ουσίας σκέδασης στο σημείο r τη χρονική στιγμή t. D (φ, r) - γενικευμένος συντελεστής διάχυσης στην πυκνότητα φ στο σημείο r.
∇ - διανυσματικός διαφορικός τελεστής του οποίου τα συστατικά είναι μερικές παράγωγοι σε συντεταγμένες.
Όταν ο συντελεστής διάχυσης εξαρτάται από την πυκνότητα, η εξίσωση είναι μη γραμμική. Όταν όχι - γραμμικό.
Έχοντας εξετάσει τον ορισμό της διάχυσης και τα χαρακτηριστικά αυτής της διαδικασίας σε διαφορετικά περιβάλλοντα, μπορεί να σημειωθεί ότι έχει τόσο θετικές όσο και αρνητικές πλευρές.
