Difúzia pevných látok, kvapalín a plynov: definícia, podmienky

Medzi mnohými javmi vo fyzike, procesomdifúzia sa odvoláva na jeden z najjednoduchších a najrozumnejších. Po každom dopoludňajšom príprave voňavého čaju alebo kávy má človek možnosť sledovať túto reakciu v praxi. Dozvieme sa viac o tomto procese a jeho podmienkach v rôznych agregátnych štátoch.

Čo je difúzia?

Toto slovo sa vzťahuje na penetráciu molekúl alebo atómov jednej látky medzi podobné štruktúrne jednotky druhej. Koncentrácia penetrujúcich zlúčenín je vyrovnaná.

Tento proces bol prvý krát podrobne popísaný nemeckým vedcom Adolfom Fickom v roku 1855.

Názov tohto pojmu pochádza z latinského verbálneho podstatného mena diffusio (interakcia, difúzia, šírenie).

Difúzia v kvapaline

Uvažovaný proces sa môže vyskytnúť pri látkach vo všetkých troch agregovaných stavoch: plynný, kvapalný a pevný. Ak chcete nájsť praktické príklady toho, stačí sa pozrieť do kuchyne.

Borshch na kachle je jedným z nich. Pod vplyvom teploty molekuly glukozínu betanín (látka, ktorej repka má takú nasýtenú šarlátovú farbu), reaguje rovnomerne s molekulami vody a dodáva jej jedinečný vínový odtieň. Tento prípad je príkladom difúzie v kvapalinách.

Okrem borštu je tento proces viditeľný aj v roku 2005pohár čaju alebo kávy. Obe z týchto nápojov sa tak rovnomerne nasýtené odtieň vzhľadom na to, že čajové lístky alebo kávové častice, rozpustené vo vode, rozložené rovnomerne medzi svojimi molekulami, farbením ju. Na rovnakom princípe zostrojiť platnosť všetkých populárnych instantných nápojov deväťdesiatych rokov: Yupi, Pozvať, Zuko.

Interakcia plynov

Pokračujte v hľadaní ďalších prejavov procesu v kuchyni, stojí za to čuchať a užívať si príjemnú vôňu pochádzajúcu z kytice čerstvých kvetov na jedálenskom stole. Prečo sa to deje?

Atómy a molekuly, ktoré nesú vôňu, sú v aktívnom pohybe a v dôsledku toho sa zmiešajú s časticami, ktoré sa už nachádzajú vo vzduchu, a rozptýlia sa pomerne rovnomerne v objeme miestnosti.

Toto je prejav difúzie plynov. Stojí za zmienku, že aj samotná vdýchnutie vzduchu sa vzťahuje na daný proces, rovnako ako chutný čerstvo pripravený boršč v kuchyni.

Difúzia pevných látok

Kuchynský stôl, na ktorom sú kvetiny, je položený s obrusom jasne žltej farby. Tento odtieň sa získal v dôsledku difúznej schopnosti prejsť pevnými látkami.

Samotný proces dávať plátno nejaký rovnomerný odtieň prechádza v niekoľkých fázach nasledovne.

1. Častice žltého pigmentu difundujú v farbiacej nádobe smerom k vláknitému materiálu.
2. Ďalej boli absorbované vonkajším povrchom farbených tkanív.
3. Ďalším krokom bola opäť difúzia farbiva, tentoraz už vo vnútri vlákien plátna.
4. V konečnom dôsledku tkanivo fixovalo častice pigmentu, čím sa sfarbilo.

Difúzia plynov v kovoch

Zvyčajne, keď hovoríte o tomto procese, zvážteinterakcie látok v rovnakých agregátnych stavoch. Napríklad difúzia pevných látok, pevných látok. Na preukázanie tohto javu sa uskutočňuje experiment s dvomi kovovými platňami, ktoré sú stlačené (zlato a olovo). Interakcia ich molekúl trvá pomerne dlho (jeden milimeter za päť rokov). Tento proces sa používa na výrobu nezvyčajných ozdôb.

Zlúčeniny však môžu tiež difundovať v rôznych agregátnych stavoch. Napríklad dochádza k difúzii plynov v pevných látkach.

V priebehu experimentov sa ukázalo, že takýto proces prebieha v atómovom stave. Na jeho aktiváciu spravidla potrebujete výrazné zvýšenie teploty a tlaku.

Príkladom takejto difúzie plynov v pevných látkach je vodíková korózia. Vyjadruje sa v situáciách, keď atómy vodíka vznikajúce v priebehu chemickej reakcie (H.₂) pod vplyvom vysokých teplôt (od 200 do 650 stupňov Celzia) prenikajú medzi konštrukčnými časticami kovu.

Okrem vodíka, v difúzii tuhých látokkyslíka a iných plynov. Tento nepozorovateľný proces prináša veľa škody, pretože môže rozdrviť kovové štruktúry.

Difúzia kvapalín v kovoch

Avšak nielen molekuly plynov môžu preniknúť do tuhých látok, ale aj do kvapalín. Rovnako ako v prípade vodíka, najčastejšie tento proces vedie k korózii (pokiaľ ide o kovy).

Klasickým príkladom difúzie kvapalín v pevných látkach je korózia kovov pôsobením vody (H.₂O) alebo roztoky elektrolytov. Pre väčšinu je tento proces známy pod názvom hrdzu. Na rozdiel od vodíkovej korózie je v praxi potrebné s ňou častejšie zrážať.

Podmienky urýchlenia šírenia. Koeficient difúzie

Keď sa zaoberáme látkami, v ktorých môže dôjsť k procesu, ktorý sa uvažuje, je dôležité sa dozvedieť o podmienkach jeho toku.

Najprv závisí rýchlosť šíreniaStav súhrnného stavu interagujúcich látok. Čím väčšia je hustota materiálu, v ktorom sa reakcia vyskytuje, tým pomalšie jej rýchlosť.

V tejto súvislosti bude difúzia v kvapalinách a plynoch vždy prebiehať aktívnejšie ako v pevných látkach.

Ak sú napríklad kryštály KMnO manganistanu draselného_{4 (}manganistan draselný₎ hodiť do vody, oni dám jej krásne karmínové farby v priebehu niekoľkých minút. Avšak, ak je posypané kryštálmi KMnO₄ kus ľadu a všetko to v mrazničke, po niekoľkých hodinách nemôže manganistan draselný plne farbiť zmrazené H₂O.

Z predchádzajúceho príkladu môžeme vyvodiť ďalší záver o difúznych podmienkach. Okrem agregátu je rýchlosť interpenetrácie častíc tiež ovplyvnená teplotou.

Aby sme zvážili závislosť posudzovaného procesu na ňom, stojí za to dozvedieť sa o takej koncepcii, akou je difúzny koeficient. Toto je názov kvantitatívnej charakteristiky jeho rýchlosti.

Vo väčšine vzorcov sa označuje veľkým latinským písmom D a v systéme SI sa meria v metroch štvorcových za sekundu (m² / s), niekedy v centimetroch za sekundu (cm²/ m).

Koeficient difúzie sa rovná množstvu látky,rozptýlené cez plochu jednotky za časovú jednotku za predpokladu, že rozdiel v hustotách na obidvoch povrchoch (umiestnených vo vzdialenosti rovnajúcej sa dĺžke jednotky) sa rovná jednej. Kritériami, ktoré určujú D, sú vlastnosti látky, v ktorej dochádza k rozptylu častíc a ich typu.

Závislosť koeficientu na teplote možno opísať pomocou Arrheniovej rovnice: D = D_0exp(-E / TR).

V uvažovanej rovnici je E minimálna energia potrebná na aktiváciu procesu; T je teplota (meraná pomocou Kelvina, nie Celzia); R je konštantný plyn charakteristický pre ideálny plyn.

Okrem všetkých vyššie uvedených, rýchlosťdifúzia v pevných látkach a kvapaliny v plynoch sú ovplyvňované tlakom a žiarením (indukciou alebo vysokou frekvenciou). Okrem toho veľa závisí od prítomnosti katalytického činidla, často pôsobí ako spúšťací mechanizmus na začiatok aktívnej disperzie častíc.

Difúzna rovnica

Tento jav je osobitnou formou diferenciálnej rovnice pre čiastkové deriváty.

Jeho účelom je nájsť závislosť od koncentrácie(rozptýlenie) a čas. Špecifikovaný koeficient charakterizuje permeabilitu média pre reakciu.

Najčastejšie je difúzna rovnica napísaná nasledovne: ∂φ (r, t) / ∂t = ∇ x [D (φ, r) ∇ φ (r, t)].

V ňom φ (t a r) je hustota rozptýlenej látky v bode r v čase t. D (φ, r) - difúzia je všeobecný koeficient pre hustotu φ v bode r.

∇ je vektorový diferenciálny operátor, ktorého komponenty sa vzťahujú na čiastkové deriváty vzhľadom na súradnice.

Keď difúzny koeficient závisí od hustoty, rovnica je nelineárna. Ak nie je lineárny.

Po zvážení definície difúzie a vlastností tohto procesu v rôznych médiách možno poznamenať, že má pozitívne i negatívne stránky.