¿En qué medio se produce la difusión molecular de una sustancia? Difusión molecular interna.

DIFUSIÓN: la transferencia de una sustancia debido a la igualación de su concentración en el original. sistema heterogéneo. La difusión es una de las etapas de numerosos procesos tecnológicos(adsorción, secado, extracción, etc.).

La difusión se produce en gases, líquidos y sólidos. El mecanismo de difusión de estas sustancias es significativamente diferente.

La difusión molecular es la transferencia de una sustancia distribuida causada por el movimiento térmico aleatorio de moléculas, átomos, iones, partículas coloidales. Se describe la difusión molecular. La primera ley de Fick según el cual la masa de una sustancia DM, difundiéndose con el tiempo dt a través de una superficie elemental dS(normal a la dirección de difusión), proporcional al gradiente de concentración corriente continua/dx de esta sustancia:

De la expresión (2.2.1.2) se deduce que el flujo específico de una sustancia transferida por difusión molecular a través de una unidad de superficie S por unidad de tiempo t, o la tasa de difusión molecular, es:

(2.2.1.3)

Gradiente de concentración corriente continua/dx representa el cambio en la concentración de una sustancia en difusión por unidad de longitud de la normal entre dos superficies de concentraciones constantes pero diferentes.

Factor de proporcionalidad D en la expresión de la ley de Fick se llama coeficiente de difusión molecular, o simplemente coeficiente de difusión. El signo menos en el lado derecho de la ecuación que describe la ley de Fick indica que la difusión molecular siempre avanza en la dirección de disminuir la concentración del componente distribuido.

Según la ecuación (2.2.1.1), el coeficiente de difusión se expresa de la siguiente manera:

de donde se sigue el significado físico del coeficiente D(antes de la abreviatura de los mismos valores). El coeficiente de difusión muestra cuánta masa de una sustancia se difunde por unidad de tiempo a través de una unidad de superficie con un gradiente de concentración igual a la unidad.

El coeficiente de difusión molecular es constante fisica, que caracteriza la capacidad de una determinada sustancia para penetrar debido a la difusión en un medio estacionario. Magnitud D, por tanto, no depende de las condiciones hidrodinámicas en las que se produce el proceso.

Valores del coeficiente de difusión. D son función de las propiedades de la sustancia que se distribuye, las propiedades del medio a través del cual se difunde, la temperatura y la presión. Generalmente valores D aumenta al aumentar la temperatura y disminuir la presión (para gases). En cada caso concreto, el valor del coeficiente de difusión molecular se determina a partir de datos experimentales o de ecuaciones teóricas y semiempíricas, teniendo en cuenta la temperatura y presión a las que se produce el proceso de difusión.

Difusión convectiva a diferencia del molecular, es causado por el movimiento de fases como resultado de sacudidas, agitaciones, cambios de temperatura y otras influencias externas. En líquido o ambiente gaseoso- este es el principal tipo de difusión, que se lleva a cabo debido a flujos convectivos que se mueven dentro de una fase determinada y transportan una sustancia en difusión. Su transferencia se realiza debido al movimiento de volúmenes muy pequeños (elementales) individuales de la fase líquida o gaseosa, y las sustancias dentro de estos volúmenes elementales se transfieren mediante difusión molecular, característica de la fase estacionaria, que es el volumen elemental de líquido. o gasolina.

La difusión convectiva es un proceso más rápido que la difusión molecular: su velocidad es entre 10 y 12 veces mayor.

difusión molecular llevado a cabo debido al movimiento térmico intrínseco de las moléculas (movimiento browniano). La característica principal del proceso de difusión molecular es la inmovilidad mutua de las fases (en en este caso material vegetal y extractante). La difusión molecular, que ocurre en fases estacionarias, es un proceso lento.

1. Conozcamos el movimiento térmico.

De acuerdo con ideas modernas, los átomos y moléculas que componen la materia están en continuo movimiento caótico. Este movimiento se llama térmico.

El movimiento térmico no se puede ver a simple vista porque las moléculas son muy pequeñas.

Sin embargo, hay muchos fenómenos físicos que sólo pueden explicarse basándose en el hecho de que las moléculas están en constante movimiento.

Arroz. 2.15. Usando un embudo con un pico largo, puede verter con cuidado la solución. sulfato de cobre al fondo de un vaso de agua

Arroz. 2.16. Observación del fenómeno de la difusión en líquidos: como resultado de la difusión, el límite definido entre la solución de sulfato de cobre y el agua desaparece gradualmente.

2. Recordar la definición de difusión.

Una prueba indiscutible del movimiento de las moléculas es un fenómeno físico que usted conoce bien en el curso de la historia natural: la difusión (del latín diffusio - difundir, difundir).

Recordemos que la difusión es la penetración mutua de sustancias en contacto entre sí, que se produce como resultado del movimiento térmico (caótico) de moléculas (átomos).

3. Observamos difusión en gases y líquidos.

Recuerde lo que sucede si derrama una sustancia aromática, como un perfume, en algún lugar de una habitación: su olor pronto se sentirá en todas partes. Esto significa que las moléculas de la sustancia aromática, al moverse, caen en los espacios entre las moléculas de aire que llenan la habitación, es decir, se observa difusión. Es como resultado de la difusión de gases que olemos el pan recién horneado en una panadería o el olor a hierba calentada por el sol.

La difusión también se puede observar en líquidos. Hagamos este experimento. Con un embudo, vierta una solución de sulfato de cobre en un recipiente transparente con agua limpia para que los líquidos no se mezclen (Fig. 2.15). Primero, observamos un límite definido entre el agua y la solución de sulfato de cobre. Dejando el recipiente solo durante varios días, veremos que todo el líquido del recipiente ha adquirido un color turquesa (Fig. 2.16). Además, la mezcla de líquidos se produjo sin intervención externa. El proceso de difusión se muestra esquemáticamente en la Fig. 2.17. Numerosos experimentos indican que la difusión en líquidos es mucho más lenta que en gases. La difusión ocurre aún más lentamente en sólidos. ¿Por qué? La respuesta a esta pregunta debe buscarse en las características de la disposición de las moléculas de gases, líquidos y sólidos.

4. Descubra cómo se relacionan la velocidad de movimiento de las moléculas y la temperatura.

Preparemos dos recipientes, como se muestra en la Fig. 2.15. Colocaremos uno de los recipientes en un lugar cálido, el segundo en un lugar frío. Al observar los vasos después de un tiempo, nos convenceremos de que la difusión se produjo mucho más rápido en una solución tibia.

Si la temperatura aumenta, la velocidad de difusión de los gases también aumenta.

La dependencia de la velocidad de difusión de la temperatura es especialmente notable en el caso de los sólidos. Así, el metalúrgico inglés William Robert Austin llevó a cabo el siguiente experimento. Fundió un disco delgado de oro en un cilindro de plomo (figura 2.18a) y colocó este cilindro en un horno durante varios días, donde la temperatura se mantuvo a unos 400 °C. Resultó que el oro se difundió por todo el cilindro (Fig. 2.18, b); Mientras tanto, a temperatura ambiente, casi no se observó difusión.

Así, hemos descubierto que cuanto mayor es la temperatura de la sustancia, más rápida es la difusión, es decir, las moléculas se mueven más rápido.

Experimentos bastante complejos muestran que a cualquier temperatura en una sustancia hay moléculas que se mueven bastante lentamente y moléculas cuya velocidad es alta. Si el número de moléculas de una sustancia que tiene alta velocidad, aumenta, es decir, aumenta la velocidad media de las moléculas, esto significa que la temperatura de la sustancia también aumenta.

5. Aprendamos sobre la difusión en la naturaleza y su aplicación en la tecnología.

El fenómeno de la difusión es muy común en la naturaleza. Por difusión, el dióxido de carbono ingresa al follaje de las plantas; oxígeno del aire al fondo de los embalses; nutrientes absorbido en los intestinos; el oxígeno de los pulmones ingresa a la sangre y de la sangre a los tejidos, etc.

La difusión se utiliza ampliamente en tecnología. Un ejemplo es la soldadura difusa de metales. Las piezas de metal se presionan firmemente entre sí y se calientan a una temperatura alta, pero por debajo del punto de fusión. En la unión se produce difusión y las piezas de metal parecen crecer juntas.

Arroz. 2.17. Representación esquemática del proceso de difusión: las moléculas de un líquido penetran en los espacios entre las moléculas de otro y, como resultado, con el tiempo los líquidos se mezclan completamente.

Arroz. 2.11 Experimento de observación de la difusión en sólidos: a - cilindro de plomo con placa de oro soldada; b - el mismo cilindro al final del experimento

• Resumámoslo

Los átomos y moléculas que componen la materia están en continuo movimiento caótico. Este movimiento se denomina térmico, ya que un aumento de temperatura de una sustancia corresponde a un aumento de la velocidad media de movimiento de sus moléculas (átomos).

Una evidencia del movimiento de partículas de materia es un fenómeno físico llamado difusión. La difusión es la penetración mutua de sustancias en contacto entre sí, que se produce como resultado del movimiento térmico caótico de moléculas (átomos).

• Preguntas de control

1. ¿Cómo se llama el movimiento térmico?

2. Defina difusión.

3. Dar ejemplos de difusión en gases, líquidos y sólidos.

4. ¿De qué depende la velocidad de difusión? Explique las razones de esta dependencia.

5. Da ejemplos de difusión en la naturaleza.

Ejercicios

1. ¿Cuál es la diferencia entre agua fría y agua caliente desde una “vista molecular”?
2. ¿En qué estado de la materia (gaseoso, sólido o líquido) se produce la difusión más rápidamente? ¿Por qué?
3. Dióxido de carbono más pesado que otros gases, pero está presente en capas superiores atmósfera. Explica este fenómeno.
4. Está prohibido transportar sustancias como queroseno, gasolina y pinturas con alimentos. ¿Por qué?
5. La velocidad de las moléculas de gas es de varios cientos de metros por segundo. ¿Por qué olemos un líquido derramado no instantáneamente, sino después de un tiempo?
6 ¿Por qué el té se prepara con agua hirviendo y no agua fría? 7. ¿Por qué las ciruelas secas se hinchan en el agua? 8 Se echó un trozo de azúcar idéntico en dos vasos de agua al mismo tiempo (ver imagen). ¿En qué vaso fue mayor la temperatura inicial del agua?
9. Al sentir peligro, el calamar libera un líquido protector de color azul oscuro. ¿Por qué, después de un tiempo, el agua coloreada por este líquido, incluso en estado de calma, vuelve a ser transparente?

10. ¿Crees que es correcto decir que el olor a pan recién hecho de una panadería se esparce sólo en la dirección en la que sopla el viento? Justifica tu respuesta.

• Tareas experimentales

1. Inflar dos globo. Coloque una bola en un lugar cálido y la segunda en un lugar frío. Después de un día, compara cuál globo estaba menos desinflado. ¿Por qué?
2. Prepare una solución fuerte de sal de cocina. Vierta en un vaso agua limpia, luego use un embudo para verter con cuidado la solución salina en el fondo del vaso (ver imagen). Pruebe el líquido superior para asegurarse de que no tenga sal. Deja el vaso por un día y luego prueba nuevamente con el agua. ¿Qué resultado obtuviste? Explícalo.

3. Tome dos vasos de paredes finas. Vierta agua fría en uno de ellos y agua caliente en el otro. Utilice una pipeta para dejar caer unas gotas en el fondo de cada vaso. té fuerte. Explique los resultados.

• Física y tecnología en Ucrania

Iván Pávlovich Pulyuy (1845-1918) Nacido en la región de Ternopil.

Los científicos destacan especialmente el trabajo de Ivan Pulyuy en el campo de la física molecular: datos sobre los coeficientes de fricción interna y difusión de gases y vapor. Estos datos son el punto de partida para calcular cantidades microscópicas como el camino libre medio de las moléculas, su número en un gramo de molécula, etc. En el campo de la ingeniería eléctrica, Ivan Pulyuy mejoró la tecnología de fabricación de lámparas de iluminación y fue el primero en estudiar luz de neón. Con la participación de Pulyuy, se pusieron en marcha varias centrales eléctricas en corriente continua en Austria-Hungría, así como el primero en Europa en corriente alterna. Pulyu hizo una contribución significativa al estudio de los rayos X.

Física. 7mo grado: Libro de texto / F. Ya. Bozhinova, N. M. Kiryukhin, E. A. Kiryukhina. - X.: Editorial "Ranok", 2007. - 192 p.: Ill.

Absolutamente todas las personas han oído hablar de un concepto como difusión. Este fue uno de los temas de las lecciones de física en el séptimo grado. A pesar de que este fenómeno nos rodea por todas partes, pocas personas lo saben. ¿Qué significa de todos modos? Qué es significado fisico¿Y cómo puedes hacer la vida más fácil con su ayuda? Hoy hablaremos de esto.

Difusión en Física: Definición

Este es el proceso de penetración de moléculas de una sustancia entre moléculas de otra sustancia. Discurso en lenguaje sencillo, este proceso se puede llamar mezcla. Durante esto La mezcla ocurre la penetración mutua de las moléculas de una sustancia entre sí.. Por ejemplo, al preparar café, las moléculas del café instantáneo penetran en las moléculas de agua y viceversa.

La velocidad de este proceso fisico depende de los siguientes factores:

1. Temperatura.
2. Estado agregado de una sustancia.
3. Influencia externa.

Cuanto mayor es la temperatura de una sustancia, más rápido se mueven las moléculas. Por eso, proceso de mezcla sucede más rápido cuando altas temperaturas Oh.

Estado agregado de la materia - factor más importante . En cada estado de agregación, las moléculas se mueven a cierta velocidad.

La difusión puede ocurrir en los siguientes estados de agregación:

1. Líquido.
2. Sólido.

Lo más probable es que el lector ahora tenga preguntas. siguientes preguntas:

1. ¿Cuáles son las causas de la difusión?
2. ¿Dónde sucede más rápido?
3. ¿Cómo se utiliza en vida real?

Las respuestas a ellas se pueden encontrar a continuación.

Causas

Absolutamente todo en este mundo tiene su propio por qué. Y la difusión no es una excepción. Los físicos comprenden perfectamente las razones de su aparición. como traerlos a persona ordinaria?

Seguramente todo el mundo ha oído que las moléculas están en movimiento constante. Además, este movimiento es desordenado y caótico, y su velocidad es muy alta. Gracias a este movimiento y constante colisión de moléculas, se produce su penetración mutua.

¿Hay alguna evidencia de este movimiento? ¡Ciertamente! ¿Recuerdas lo rápido que empezaste a oler perfume o desodorante? ¿Y el olor de la comida que prepara tu madre en la cocina? Recuerda lo rápido preparar té o café. Todo esto no podría haber sucedido si no fuera por el movimiento de las moléculas. Concluimos que la razón principal de la difusión es el movimiento constante de moléculas.

Ahora sólo queda una pregunta: ¿qué provocó este movimiento? Está impulsado por el deseo de equilibrio. Es decir, en una sustancia existen zonas con altas y bajas concentraciones de estas partículas. Y gracias a este deseo, pasan constantemente de una zona de alta concentración a una de baja concentración. ellos estan constantemente chocar entre sí, y se produce la penetración mutua.

Difusión en gases

El proceso de mezclar partículas en gases es el más rápido. Puede ocurrir tanto entre gases homogéneos como entre gases con diferentes concentraciones.

Ejemplos vívidos de la vida:

1. El aroma del ambientador se huele por difusión.
2. Hueles la comida que se cocina. Tenga en cuenta que comenzará a olerlo inmediatamente, pero el olor del ambientador después de unos segundos. Esto se explica por el hecho de que a altas temperaturas la velocidad de movimiento de las moléculas es mayor.
3. Las lágrimas que te salen al picar cebolla. Las moléculas de la cebolla se mezclan con las moléculas del aire y tus ojos reaccionan a esto.

¿Cómo se produce la difusión en los líquidos?

La difusión en líquidos es más lenta. Puede durar desde varios minutos hasta varias horas.

Los ejemplos más llamativos de la vida:

1. Preparar té o café.
2. Mezcla de agua y permanganato de potasio.
3. Preparando una solución de sal o refresco.

En estos casos, la difusión se produce muy rápidamente (hasta 10 minutos). Sin embargo, si se aplica una influencia externa al proceso, por ejemplo, removiendo estas soluciones con una cuchara, el proceso será mucho más rápido y no tomará más de un minuto.

La difusión al mezclar líquidos más espesos tardará mucho más. Por ejemplo, mezclar dos metales líquidos puede llevar varias horas. Por supuesto, puedes hacer esto en unos minutos, pero en este caso funcionará. aleación de baja calidad.

Por ejemplo, la difusión al mezclar mayonesa y crema agria llevará mucho tiempo. Sin embargo, si recurres a influencias externas, este proceso no tardará ni un minuto.

Difusión en sólidos: ejemplos

En los sólidos, la penetración mutua de las partículas se produce muy lentamente. Este proceso puede tardar varios años. Su duración depende de la composición de la sustancia y de la estructura de su red cristalina.

Experimentos que demuestran que existe difusión en sólidos.

1. Adhesión de dos placas. diferentes metales. Si mantienes estas dos placas juntas y bajo presión, dentro de cinco años habrá entre ellas una capa de 1 milímetro de ancho. Esta pequeña capa contendrá moléculas de ambos metales. Estas dos placas se fusionarán.
2. Se aplica un cilindro de plomo muy fino. capa delgada oro. Después de lo cual esta estructura se coloca en un horno durante 10 días. La temperatura del aire en el horno es de 200 grados centígrados. Después de cortar este cilindro en finos discos, se pudo ver muy claramente que el plomo había penetrado en el oro y viceversa.

Ejemplos de difusión en el medio ambiente.

Como ya entendiste, cuanto más duro es el medio, menor es la velocidad de mezcla de moléculas. Ahora hablemos de dónde en la vida real se pueden obtener beneficios prácticos de este fenómeno físico.

El proceso de difusión ocurre en nuestras vidas constantemente. Incluso cuando nos tumbamos en la cama, una capa muy fina de nuestra piel permanece en la superficie de la sábana. También absorbe el sudor. Es por esto que la cama se ensucia y es necesario cambiarla.

Entonces, la manifestación de este proceso en la vida cotidiana puede ser la siguiente:

1. Cuando untas mantequilla sobre el pan, ésta se absorbe.
2. Al encurtir pepinos, la sal primero se difunde con agua, después de lo cual agua salada Comienza a difundirse con los pepinos. El resultado es un delicioso refrigerio. Es necesario reestructurar los bancos. Esto es necesario para garantizar que el agua no se evapore. Más precisamente, las moléculas de agua no deberían difundirse con las moléculas de aire.
3. Al lavar los platos, las moléculas de agua y detergente penetran en las moléculas de los restos de comida. Esto les ayuda a despegarse del plato y dejarlo más limpio.

Manifestación de la difusión en la naturaleza:

1. El proceso de fertilización ocurre precisamente debido a este fenómeno físico. Las moléculas del óvulo y del espermatozoide se difunden, tras lo cual aparece el embrión.
2. Fertilización del suelo. Al utilizar ciertos productos químicos o abono, el suelo se vuelve más fértil. ¿Por qué está pasando esto? La idea es que las moléculas de fertilizantes se difunden con las moléculas del suelo. Después de lo cual se produce el proceso de difusión entre las moléculas del suelo y la raíz de la planta. Gracias a esto, la temporada será más productiva.
3. Mezclar residuos industriales con el aire lo contamina mucho. Debido a esto, el aire en un radio de un kilómetro se vuelve muy contaminado. Sus moléculas se difunden con moléculas de aire limpio de zonas vecinas. Así es como empeora situación ecológica en la ciudad.

Manifestación de este proceso en la industria:

1. La siliconación es el proceso de saturación por difusión con silicio. Se lleva a cabo en atmósfera gaseosa. La capa saturada de silicio de la pieza no tiene una dureza muy alta, pero sí una alta resistencia a la corrosión y una mayor resistencia al desgaste en agua de mar, nítrico, clorhídrico en ácidos sulfúricos.
2. La difusión en metales juega un papel importante en la fabricación de aleaciones. Para obtener una aleación de alta calidad, es necesario producir aleaciones a altas temperaturas y bajo influencias externas. Esto acelerará significativamente el proceso de difusión.

Estos procesos ocurren en Varias áreas industria:

1. Electrónico.
2. Semiconductor.
3. Ingeniería Mecánica.

Como comprenderá, el proceso de difusión puede tener efectos tanto positivos como efecto negativo. Necesita poder gestionar su vida y maximizar los beneficios de este fenómeno físico, así como minimizar el daño.

Ahora conoces la esencia de un fenómeno físico como la difusión. Consiste en la penetración mutua de partículas debido a su movimiento. Y en la vida absolutamente todo se mueve. Si eres estudiante, después de leer nuestro artículo definitivamente recibirás una calificación de 5. ¡Buena suerte!

Difusión(del latín diffusio - esparcir, esparcir, esparcir), la transferencia de partículas de diferente naturaleza, causada por el movimiento térmico caótico de moléculas (átomos) en medios gaseosos o condensados ​​​​de uno o varios componentes. Dicha transferencia se produce en presencia o ausencia de un gradiente de concentración de partículas; V el último caso el proceso se llama autodifusión (ver más abajo). Distinguir difusión partículas coloidales (las llamadas brownianas difusión), en sólidos, moleculares, neutrones, portadores de carga en semiconductores, etc.; sobre la transferencia de partículas en un medio que se mueve a una determinada velocidad (convectiva difusión) cm. Transferencia de masa, Procesos de transferencia, oh difusión partículas en flujos turbulentos, ver Difusión turbulenta. Todo especies especificadas difusión se describen mediante las mismas relaciones fenomenológicas.

Conceptos básicos. La característica principal difusión sirve como densidad de flujo de difusión J: la cantidad de sustancia transferida por unidad de tiempo a través de una unidad de superficie, perpendicular a la dirección transferir. Si en un ambiente donde no hay gradientes de temperatura, presión, potencial eléctrico etc., hay un gradiente de concentración. Con(x,t), caracterizando su cambio por unidad de longitud en la dirección X(caso unidimensional) en el momento t, luego en un medio estacionario isotrópico

j = - D(dс/dx), (1)

Dónde D- coeficiente difusión(m2/s); El signo menos indica la dirección del flujo de concentraciones mayores a menores. Distribución de concentración espaciotemporal:

Las ecuaciones (1) y (2) se denominan primera y segunda leyes de Fick. Tridimensional difusión [Con (x, y, z; t)] se describe mediante las ecuaciones:

j = - D graduado C (3)

donde J es el vector de densidad de flujo de difusión, grad es el gradiente del campo de concentración. La transferencia de partículas en el medio se produce como una secuencia de sus movimientos aleatorios, y valor absoluto y la dirección de cada uno de ellos no depende de los anteriores. El movimiento de difusión en el medio de cada partícula generalmente se caracteriza por el desplazamiento cuadrático medio L 2 desde la posición inicial en el tiempo t. Para espacio tridimensional La primera relación de Einstein es válida: L 2 = GDt. Entonces el parámetro D Caracteriza la efectividad de la influencia del medio sobre las partículas.

Cuando difusión en mezclas multicomponentes en ausencia de gradientes de presión y temperatura (isobárico-isotermal) difusión) para simplificar la descripción de la penetración mutua de componentes en presencia de gradientes de sus concentraciones, se introducen los llamados coeficientes mutuos difusión. Por ejemplo, para unidimensional difusión En un sistema de dos componentes, la expresión del flujo de difusión de uno de los componentes toma la forma:

Dónde C 1 + Con 2 = const, D 12 = D 21 - coeficiente de mutuo difusión ambos componentes.

Como resultado del calentamiento desigual del medio bajo la influencia de un gradiente de temperatura, se produce la transferencia de componentes de mezclas de gases o líquidos: difusión térmica (en soluciones, efecto Soret). si entre en partes separadas sistema, se mantiene una diferencia de temperatura constante, luego, debido a la difusión térmica, aparecen gradientes de concentración de componentes en el volumen de la mezcla, lo que inicia el proceso habitual. difusión. Lo último en estado estacionario(en ausencia de un flujo de sustancia) equilibra la difusión térmica y aparece una diferencia en las concentraciones de los componentes en el sistema. Esta influencia subyace a uno de los métodos de separación de isótopos, así como a la separación por difusión térmica de fracciones de petróleo.

En influencia externa a un sistema de gradiente de presión o campo gravitacional Se produce barodifusión. Ejemplos: deposición por difusión de pequeñas partículas suspendidas cuando chocan con moléculas de gas (ver Recolección de polvo); Procesos de baromembrana: ósmosis inversa, micro y ultrafiltración (consulte Procesos de separación de membranas, Ósmosis). El efecto sobre el sistema de externos. campo eléctrico Provoca la transferencia dirigida de partículas cargadas: electrodifusión. Ejemplos: procesos de electromembrana, p. ej. electrodiálisis - separación bajo acción corriente eléctrica compuestos ionizados debido a la transferencia selectiva de iones a través de membranas de intercambio iónico; difusión Portadores de carga: el movimiento de electrones de conducción y huecos debido a faltas de homogeneidad en su concentración en los semiconductores.

Matemáticamente, las leyes de Fick son similares a las ecuaciones de calor de Fourier. Esta analogía se basa en principios generales. procesos irreversibles redistribución de los parámetros del estado intensivo (concentración, temperatura, presión, etc.) entre varias partes de cualquier sistema que tiende al equilibrio termodinámico. Para pequeñas desviaciones del sistema, estos patrones se describen mediante relaciones lineales entre flujos físicos. cantidades y fuerzas termodinámicas, es decir, gradientes de parámetros que causan las desviaciones indicadas. En particular, el flujo de difusión de partículas. de este tipo, además de los gradientes de concentración de partículas de cada tipo, puede, en condiciones adecuadas, en en mayor medida determinado por gradientes de otros parámetros intensivos y fuerzas externas. EN vista general la relación entre flujos y fuerzas se describe mediante ecuaciones fenomenológicas. Por ejemplo, en el caso de un sistema binario de gas eléctricamente neutro en presencia de un gradiente de temperatura dТ/dх, gradiente de presión dр/dх y gradiente eléctrico potencial d j/ dx expresión para el flujo de difusión de partículas cargadas q yo en el caso unidimensional toma la forma:

donde c es el número total de partículas de la mezcla por unidad de volumen; n yo = c yo/C- se relaciona fracción de partículas i-ésimo componente ( i= 1, 2); D p , D T - coeficiente. difusión baro y térmica; m yo = q i D/kТ(Relación de Nernst - Einstein) - movilidad de partículas del 1er componente en electricidad. campo; k- la constante de Boltzmann; T- temperatura absoluta. Por ejemplo, en binario mezcla de gases en presión constante y falta Fuerzas externas flujo de difusión total

En ausencia de flujo (J = 0) la distribución de concentraciones se encuentra mediante la fórmula:

donde k T = D T /D 12. Coeficiente DT depende en gran medida de la interacción intermolecular, por lo que su estudio permite investigar fuerzas intermoleculares en diversos ambientes.

Simultáneamente con la transferencia por difusión de partículas de sustancias extrañas (impurezas) distribuidas de manera desigual en cualquier medio, se produce la autodifusión: movimiento aleatorio de partículas del propio medio. composición química que no cambia. Este proceso, observado incluso en ausencia de fuerzas termodinámicas en el sistema, se describe mediante las ecuaciones de Fick, en las que D reemplazado por el parámetro Dc, llamado coeficiente de autodifusión. Los efectos de autodifusión pueden provocar la fusión de dos muestras molidas de la misma sustancia, la sinterización de polvos cuando se pasa una corriente eléctrica a través de ellos, el estiramiento de cuerpos bajo la influencia de una carga suspendida de ellos (difusión de materiales), etc. .

Durante la difusión mutua en sólidos, el flujo de átomos de un tipo puede exceder el flujo de átomos de otro tipo que van en la dirección opuesta, si hay sumideros para las vacantes no compensadas (y posiblemente para los átomos no compensados). En este caso, aparecen poros en el cristal, lo que provoca inestabilidad. red cristalina Cómo sistema mecánico y, como resultado, al desplazamiento de los planos cristalinos en su conjunto (efecto Kirkindahl). En particular, durante la difusión mutua en sistemas metálicos binarios, se observa el movimiento de marcadores "inertes", por ejemplo, alambres refractarios delgados hechos de Mo o W con un diámetro de varias micras, introducidos en la zona de difusión.

La tasa de transferencia de masa por difusión en varias sustancias o materiales, a veces es conveniente caracterizarlos por su constante de permeabilidad P = Dg, donde g es la constante de Henry, que determina la solubilidad en equilibrio del componente transferido. En particular, la expresión para un flujo estacionario de moléculas de gas que se difunden a través de una partición divisoria (membrana) de espesor d tiene la forma: J = ПgDр/d, donde Dр es la diferencia de presiones parciales de los componentes separados de la mezcla de gases en ambos lados de la partición.

Impares difusión difieren significativamente para los procesos de difusión en medios gaseosos y condensados ​​(líquidos y sólidos): la transferencia más rápida de partículas ocurre en gases ( D aproximadamente 10 - 4 m 2 / s a ​​temperatura y presión normales), más lento en líquidos (aproximadamente 10 - 9), incluso más lento en sólidos (aproximadamente 10 - 12). Ilustremos estas conclusiones utilizando ejemplos de difusión.

Difusión en ambientes de gas . Para tarifa D el camino libre de las moléculas se toma como el desplazamiento característico (promedio) de las partículas yo = tu t, donde Y y t son la velocidad promedio de movimiento de las partículas y el tiempo entre sus colisiones. Según la primera relación de Einstein D~ yo 2t-1; con más precisión D= 1/3 lu. Coeficiente difusión inversamente proporcional a la presión R gasolina, porque yo ~ 1/R; con temperatura creciente t(a volumen constante) D aumenta en proporción a T 1/2, porque; con aumento masa molar gas D disminuye. De acuerdo a Teoría cinética gases, coeficientes mutuos difusión gases A Y EN en una mezcla binaria (Tabla 1)

Dónde R - presión total en el sistema, t un Y t B - masas de gas, s A y s B son los parámetros del potencial de Lennard-Jones (ver, por ejemplo, Absorción).

De gran interés práctico es la transferencia de gases a través de poros en sólidos. A presiones de gas o tamaños de poro relativamente bajos (r 0), cuando la frecuencia de colisiones de moléculas de gas con las paredes de los poros excede la frecuencia de colisiones mutuas de moléculas, es decir longitud promedio su carrera libre yo>> r 0 (para presión normal en r 0< 10 - 7 м), наблюдается так называемая кнудсеновская difusión. En este caso, el flujo de gas a través del tabique poroso es proporcional a la velocidad promedio de las moléculas y la constante de permeabilidad al gas se determina a partir de la ecuación:

donde norte s - densidad superficial poro en el tabique. Dado que la velocidad promedio de las moléculas es inversamente proporcional. raíz cuadrada de sus masas, los componentes de la mezcla de gases separada penetran a través de los poros de la membrana con diferentes velocidades; Como resultado, la mezcla que pasa a través del tabique se enriquece con componentes más ligeros. Al aumentar la presión del gas en tales sistemas porosos, aumenta la concentración superficial de moléculas adsorbidas en las paredes de los poros. La capa de adsorción resultante puede ser móvil y moverse a lo largo de la superficie del poro, como resultado de lo cual, en paralelo con la transferencia por difusión volumétrica, es posible el transporte superficial en ella. difusión gas. Este último a veces tiene un efecto significativo sobre la cinética de las transformaciones químicas, provocando una distribución no equilibrada de los reactivos que interactúan en el sistema.

Difusión en materia condensada.. En líquidos y sólidos difusión Se realiza mediante saltos de partículas de una posición estable a otra, la distancia entre ellas es del orden de intermolecular. Tales saltos requieren un reordenamiento local del entorno inmediato de cada partícula (la probabilidad de reordenamiento se caracteriza por la entropía de activación D S) y acumulación aleatoria de una cierta cantidad de energía térmica en esta área ED(energía de activación difusión). Después del salto, cada partícula se encuentra en una nueva posición energéticamente favorable y la energía liberada se disipa en el medio. Donde D= D 0 exp(- ED/RT), donde D 0 = n*exp (DS/R) es el factor de entropía, dependiendo de la frecuencia de los “choques térmicos” de las moléculas del medio (n ~ 10 12 s - 1), R- constante de gas. El movimiento de difusión de partículas en un líquido está determinado por sus propiedades de viscosidad, tamaños de partículas y se caracteriza por su llamada movilidad (~ D/kt dónde D ~ kt(La segunda relación de Einstein). Parámetro (- coeficiente de proporcionalidad entre la velocidad de las partículas y la fuerza motriz F en movimiento estacionario con fricción ( Y= (F). Por ejemplo, en el caso de una esfera partículas simétricas radio r para el cual (= 1/6prh(T), es válida la ecuación de Stokes-Einstein: D = kT/6prh(T), donde h(T) es el coeficiente viscosidad dinámica ambiente en función de la temperatura. Promoción D con el aumento de temperatura en los líquidos se explica por una disminución en la densidad de empaquetamiento de sus moléculas (“aflojamiento de la estructura”) al calentarse y, como consecuencia, un aumento en el número de saltos de partículas por unidad de tiempo. Coeficiente difusión diferentes sustancias en líquidos se dan en la tabla. 2 y 3; valores característicos ED~ 20-40 kJ/mol.

Coeficiente difusión en solido cuerpos organicos Tienen una dispersión importante, alcanzando en algunos casos valores comparables a los parámetros correspondientes en líquidos. De mayor interés es difusión Gases en polímeros. Impares difusión en ellos (Tabla 4) dependen del tamaño de las moléculas que se difunden, las características de su interacción con fragmentos de macromoléculas, la movilidad de las cadenas poliméricas, el volumen libre del polímero (la diferencia entre el volumen real y el volumen total de densamente moléculas empaquetadas) y la heterogeneidad de su estructura.

Valores altos D a temperaturas superiores a la temperatura de transición vítrea de los polímeros se deben a la alta movilidad de fragmentos de macromoléculas en estas condiciones, lo que conduce a una redistribución del volumen libre y, en consecuencia, a un aumento de DS y una disminución ED. A temperaturas inferiores a la temperatura de transición vítrea, los coeficientes difusión tener, por regla general, valores más pequeños. En difusión en valores de líquidos poliméricos D Puede depender de la concentración de los componentes disueltos debido a su efecto plastificante. Impares difusión Los iones en las resinas de intercambio iónico están determinados en gran medida por su contenido de humedad (número promedio PAG moléculas de agua por grupo ionógeno). Con alto contenido de humedad ( p> 15) probabilidades difusión comparable con el correspondiente D para iones en electrolitos (ver tablas 5 y 3). En PAG< 10 probabilidades difusión disminuye exponencialmente al disminuir PAG.

En cuerpos inorgánicos sólidos, donde la fracción de volumen libre y la amplitud de vibraciones de los átomos de la red cristalina son insignificantes, difusión es causado por la presencia de alteraciones en su estructura (ver Defectos en los cristales) que surgen durante la fabricación, calentamiento, deformación y otras influencias. En este caso, se pueden implementar varios mecanismos. difusión: intercambio de lugares de átomos e intercambio de lugares de dos átomos vecinos, movimiento cíclico simultáneo de varios átomos, su movimiento a lo largo de intersticios, etc. El primer mecanismo prevalece, por ejemplo, en la formación de soluciones sólidas sustitutivas, el último - sólido intersticial soluciones. Los procesos de difusión ocurren a un ritmo notable solo a altas temperaturas. Por ejemplo, como sigue de la tabla. 6, coeficientes difusión Cuando la temperatura aumenta de 20 a 300 °C, el O 2 en CaO y el Cr 2 O 3 aumentan 2 × 10 10 y 3 × 10 39 veces, respectivamente. Durante la transferencia de masa en la región de dislocaciones lineales y a lo largo de defectos superficiales (límites de grano) en cuerpos policristalinos D aumentar en 4-5 órdenes de magnitud.

Para determinar los coeficientes. difusión Los datos calculados (perfiles de concentración y flujos de partículas en difusión, patrones de sorción-desorción) se comparan con los experimentales. Estos últimos se encuentran mediante diversos métodos fisicoquímicos: indicadores isotópicos, microanálisis de rayos X, gravimetría, espectrometría de masas, ópticos (refractometría, espectroscopia IR), etc.

EN currículum escolar En un curso de física (aproximadamente en séptimo grado), los escolares aprenden que la difusión es un proceso que representa la penetración mutua de partículas de una sustancia entre partículas de otra sustancia, dando como resultado una igualación de concentraciones en todo el volumen ocupado. Ésta es una definición bastante difícil de entender. Para comprender qué es la difusión simple, la ley de difusión, su ecuación, es necesario estudiar en detalle los materiales sobre estos temas. Sin embargo, si una persona tiene suficiente Idea general, entonces los datos a continuación le ayudarán a adquirir conocimientos básicos.

Fenómeno físico: ¿qué es?

Debido a que muchas personas están confundidas o no saben en absoluto qué es un fenómeno físico y en qué se diferencia de uno químico, así como a qué tipo de fenómenos se refiere la difusión, es necesario entender qué es un fenómeno físico. . Entonces, como todo el mundo sabe, la física es una ciencia independiente que pertenece al campo de las ciencias naturales, que se ocupa del estudio de los aspectos generales. leyes naturales sobre la estructura y movimiento de la materia, y también estudia la materia misma. En consecuencia, un fenómeno físico es un fenómeno como resultado del cual no se forman nuevas sustancias, sino que solo se produce un cambio en la estructura de la sustancia. La diferencia entre un fenómeno físico y uno químico es precisamente que como resultado no se producen nuevas sustancias. Por tanto, la difusión es un fenómeno físico.

Definición del término difusión

Como usted sabe, puede haber muchas formulaciones de un concepto particular, sin embargo significado general no debería cambiar. Y el fenómeno de la difusión no es una excepción. La definición generalizada es la siguiente: la difusión es un fenómeno físico que representa la penetración mutua de partículas (moléculas, átomos) de dos o más sustancias hasta distribución uniforme en todo el volumen ocupado por estas sustancias. Como resultado de la difusión no se forman nuevas sustancias, por lo que es precisamente fenómeno físico. La difusión simple se llama difusión, como resultado de lo cual las partículas se mueven desde un área de mayor concentración a un área de menor concentración, lo que es causado por el movimiento térmico (caótico, browniano) de las partículas. En otras palabras, la difusión es el proceso de mezclar partículas de diferentes sustancias y las partículas se distribuyen uniformemente por todo el volumen. Esta es una definición muy simplificada, pero la más comprensible.

Tipos de difusión

La difusión se puede registrar tanto al observar gases como sustancias liquidas, y para los sólidos. Por tanto, incluye varios tipos:

• La difusión cuántica es el proceso de difusión de partículas o defectos puntuales (alteraciones locales en la red cristalina de una sustancia), que ocurre en los sólidos. Violaciones locales- Se trata de una violación en un determinado punto de la red cristalina.

• Coloidal: difusión que se produce por todo el volumen del sistema coloidal. sistema coloidal es un medio en el que se distribuyen partículas, burbujas, gotas de otro medio, diferente en estado de agregación y composición del primero. Estos sistemas, así como los procesos que en ellos tienen lugar, se estudian en detalle en el curso de química coloidal.
• Convectiva: transferencia de micropartículas de una sustancia por macropartículas del medio. Una rama especial de la física, llamada hidrodinámica, se ocupa del estudio del movimiento. continuo. A partir de ahí podrá adquirir conocimientos sobre los estados de flujo.
• La difusión turbulenta es el proceso de transferencia de una sustancia a otra, debido a movimiento turbulento Segunda sustancia (típica de gases y líquidos).

Se confirma la afirmación de que la difusión puede ocurrir tanto en gases y líquidos como en sólidos.

¿Qué es la ley de Fick?

El físico alemán Fick derivó una ley que muestra la dependencia de la densidad del flujo de partículas a través de una unidad de área del cambio en la concentración de una sustancia por unidad de longitud. Esta ley es la ley de difusión. La ley se puede formular de la siguiente manera: el flujo de partículas, que se dirige a lo largo del eje, es proporcional a la derivada del número de partículas con respecto a la variable trazada a lo largo del eje con respecto al cual se determina la dirección del flujo de partículas. En otras palabras, el flujo de partículas que se mueven en la dirección del eje es proporcional a la derivada del número de partículas con respecto a la variable, que se traza a lo largo del mismo eje que el flujo. La ley de Fick nos permite describir el proceso de transferencia de materia en el tiempo y el espacio.

Ecuación de difusión

Cuando hay flujos en una sustancia, se produce una redistribución de la propia sustancia en el espacio. Al respecto, existen varias ecuaciones que describen este proceso de redistribución desde un punto de vista macroscópico. La ecuación de difusión es diferencial. Se sigue de ecuación general transferencia de materia, que también se llama ecuación de continuidad. En presencia de difusión, se utiliza la ley de Fick, que se describe anteriormente. La ecuación se ve así:

dn/dt=(d/dx)*(D*(dn/dx)+q.

Métodos de difusión

El método de difusión, o más precisamente el método de su implementación en materiales duros, ampliamente utilizado en Últimamente. Esto se debe a las ventajas del método, una de las cuales es la simplicidad del equipo utilizado y del proceso en sí. La esencia del método de difusión de fuentes sólidas Consiste en aplicar películas dopadas con uno o más elementos sobre semiconductores. Existen varios otros métodos para realizar la difusión, además del método de fuente sólida:

• en un volumen cerrado (método de la ampolla). La toxicidad mínima es una ventaja del método, pero su alto costo, debido a la desechabilidad de la ampolla, es un inconveniente importante;
• en un volumen abierto (difusión térmica). Se excluye la posibilidad de utilizar muchos elementos debido a las altas temperaturas, así como la difusión lateral son las grandes desventajas de este método;
• en un volumen parcialmente cerrado (método de caja). Este es un método intermedio entre los dos descritos anteriormente.

Para aprender más sobre los métodos y características de la difusión, debe estudiar Otras lecturas dedicado específicamente a estos temas.