V katerem mediju poteka molekularna difuzija snovi? Notranja molekularna difuzija

DIFUZIJA - prenos snovi zaradi izenačitve njene koncentracije v prvotni heterogeni sistem. Difuzija je ena od stopenj številnih tehnološki procesi(adsorpcija, sušenje, ekstrakcija itd.).

Difuzija se pojavi v plinih, tekočinah in trdnih snoveh. Mehanizem difuzije v teh snoveh je bistveno drugačen.

Molekularna difuzija je prenos porazdeljene snovi, ki ga povzroči naključno toplotno gibanje molekul, atomov, ionov, koloidni delci. Opisana je molekularna difuzija Fickov prvi zakon, po katerem masa snovi dm, ki se sčasoma razprši dt skozi osnovno površino dS(normalno na smer difuzije), sorazmerno z gradientom koncentracije dc/dx te snovi:

Iz izraza (2.2.1.2) sledi, da je specifični tok snovi, ki se prenaša z molekularno difuzijo skozi enoto površine S na časovno enoto t ali hitrost molekularne difuzije je:

(2.2.1.3)

Gradient koncentracije dc/dx predstavlja spremembo koncentracije difuzijske snovi na enoto dolžine normale med dvema površinama s konstantnimi, vendar različnimi koncentracijami.

Faktor sorazmernosti D v izrazu Fickovega zakona imenujemo koeficient molekularne difuzije, ali samo difuzijski koeficient. Znak minus na desni strani enačbe, ki opisuje Fickov zakon, pomeni, da molekularna difuzija vedno poteka v smeri zmanjševanja koncentracije porazdeljene komponente.

V skladu z enačbo (2.2.1.1) je difuzijski koeficient izražen kot sledi:

od koder sledi fizikalni pomen koeficienta D(pred okrajšavo istih vrednosti). Difuzijski koeficient kaže, koliko mase snovi difundira na enoto časa skozi enoto površine s koncentracijskim gradientom, ki je enak enoti.

Molekularni difuzijski koeficient je fizična konstanta, ki označuje sposobnost določene snovi, da zaradi difuzije prodre v stacionarni medij. Magnituda D, torej ni odvisen od hidrodinamičnih pogojev, v katerih poteka proces.

Vrednosti koeficienta difuzije D so funkcija lastnosti snovi, ki se porazdeli, lastnosti medija, skozi katerega difundira, temperature in tlaka. Ponavadi vrednosti D naraščajo z naraščanjem temperature in padanjem tlaka (za pline). V vsakem konkretnem primeru se vrednost molekularnega difuzijskega koeficienta določi iz eksperimentalnih podatkov ali iz teoretičnih in polempiričnih enačb ob upoštevanju temperature in tlaka, pri katerem poteka difuzijski proces.

Konvektivna difuzija za razliko od molekularnega nastane zaradi gibanja faz kot posledica stresanja, mešanja, temperaturnih sprememb in drugih zunanjih vplivov. V tekočem oz plinasto okolje- to je glavna vrsta difuzije, ki se izvaja zaradi konvektivnih tokov, ki se gibljejo znotraj dane faze in prenašajo difuzijsko snov. Njegov prenos se izvaja zaradi gibanja posameznih zelo majhnih (elementarnih) volumnov tekoče ali plinaste faze, snovi znotraj teh elementarnih volumnov pa se prenašajo z molekularno difuzijo, značilno za stacionarno fazo, ki je elementarni volumen tekočine. ali plin.

Konvektivna difuzija je hitrejši proces od molekularne difuzije: njena hitrost je 10-12-krat večja.

Molekularna difuzija ki se izvaja zaradi lastnega toplotnega gibanja molekul (Brownovo gibanje). Glavna značilnost procesa molekularne difuzije je medsebojna nepremičnost faz (v v tem primeru rastlinski material in ekstraktant). Molekularna difuzija, ki poteka v stacionarnih fazah, je počasen proces.

1. Spoznajmo toplotno gibanje

Glede na sodobne ideje, so atomi in molekule, ki sestavljajo snov, v neprekinjenem kaotičnem gibanju. To gibanje se imenuje toplotno.

Toplotnega gibanja ni mogoče videti s prostim očesom, ker so molekule zelo majhne.

Vendar pa obstaja veliko fizikalnih pojavov, ki jih je mogoče razložiti le z zanašanjem na dejstvo, da se molekule nenehno premikajo.

riž. 2.15. S pomočjo lijaka z dolgim ​​izlivom lahko previdno vlijete raztopino bakrov sulfat do dna kozarca vode

riž. 2.16. Opazovanje pojava difuzije v tekočinah: zaradi difuzije postopoma izgine ostra meja med raztopino bakrovega sulfata in vodo.

2. Spomnimo se definicije difuzije

Neizpodbiten dokaz gibanja molekul je fizikalni pojav, ki vam je dobro znan iz predmeta prirodopis - difuzija (iz latinskega diffusio - širjenje, širjenje).

Spomnimo se, da je difuzija medsebojno prodiranje kontaktnih snovi druga v drugo, ki nastane kot posledica toplotnega (kaotičnega) gibanja molekul (atomov).

3. Opazujemo difuzijo v plinih in tekočinah

Zapomnite si, kaj se zgodi, če nekje v prostoru razlijete dišečo snov, na primer parfum – njen vonj bo kmalu čutiti povsod. To pomeni, da molekule aromatične snovi, ki se gibljejo, padejo v reže med molekulami zraka, ki napolnjujejo prostor, t.j. opazimo difuzijo. Zaradi difuzije v plinih zavohamo sveže pečen kruh iz pekarne ali vonj od sonca ogrete trave.

Difuzijo lahko opazimo tudi v tekočinah. Naredimo ta poskus. Z lijakom vlijemo raztopino bakrovega sulfata v prozorno posodo s čisto vodo, da se tekočini ne pomešata (slika 2.15). Najprej opazimo ostro mejo med vodo in raztopino bakrovega sulfata. Če posodo pustimo pri miru nekaj dni, bomo videli, da je vsa tekočina v posodi pridobila turkizno barvo (slika 2.16). Poleg tega je mešanje tekočin potekalo brez zunanjega posredovanja. Postopek difuzije je shematično prikazan na sl. 2.17. Številni poskusi kažejo, da difuzija v tekočinah poteka veliko počasneje kot v plinih. Difuzija poteka še počasneje v trdne snovi. Zakaj? Odgovor na to vprašanje je treba iskati v značilnostih razporeditve molekul plinov, tekočin in trdnih snovi.

4. Ugotovite, kako sta povezani hitrost gibanja molekul in temperatura

Pripravimo dve posodi, kot je prikazano na sl. 2.15. Eno posodo postavimo na toplo, drugo na hladno. Če čez nekaj časa pogledamo posode, se bomo prepričali, da je v topli raztopini prišlo do difuzije veliko hitreje.

Če se temperatura poveča, se poveča tudi hitrost difuzije v plinih.

Odvisnost hitrosti difuzije od temperature je še posebej opazna pri trdnih snoveh. Tako je angleški metalurg William Robert Austin izvedel naslednji poskus. Na svinčeni valj (sl. 2.18a) je zlil tanek disk zlata in ta valj za nekaj dni postavil v peč, kjer se je temperatura vzdrževala pri približno 400 °C. Izkazalo se je, da je zlato difundiralo skozi celoten valj (slika 2.18, b); Medtem pri sobni temperaturi skorajda ni bilo opaziti difuzije.

Tako smo ugotovili, da višja kot je temperatura snovi, hitrejša je difuzija, torej se molekule hitreje premikajo.

Precej zapleteni poskusi kažejo, da so pri kateri koli temperaturi v snovi molekule, ki se gibljejo precej počasi, in molekule, katerih hitrost je velika. Če število molekul snovi, ki ima visoka hitrost, se poveča, to pomeni, da se poveča povprečna hitrost molekul, to pomeni, da se poveča tudi temperatura snovi.

5. Spoznajmo difuzijo v naravi in ​​njeno uporabo v tehniki

Pojav difuzije je v naravi zelo pogost. Z difuzijo vstopi ogljikov dioksid v listje rastlin; kisik iz zraka - na dno rezervoarjev; hranila absorbira v črevesju; kisik iz pljuč prehaja v kri, iz krvi pa v tkiva itd.

Difuzija se pogosto uporablja v tehnologiji. En primer je difuzno varjenje kovin. Kosi kovine so tesno stisnjeni skupaj in segreti na visoko temperaturo, vendar pod tališčem. Na stičišču pride do difuzije in zdi se, da kosi kovine rastejo skupaj.

riž. 2.17. Shematski prikaz procesa difuzije: molekule ene tekočine prodrejo v prostore med molekulami druge in posledično se sčasoma tekočini popolnoma premešata

riž. 2.11 Poskus opazovanja difuzije v trdnih snoveh: a - svinčeni valj s spajkano zlato ploščo; b - isti valj na koncu poskusa

• Naj povzamemo

Atomi in molekule, ki sestavljajo snov, so v neprekinjenem kaotičnem gibanju. To gibanje se imenuje toplotno, saj zvišanje temperature snovi ustreza povečanju povprečne hitrosti gibanja njenih molekul (atomov).

Eden od dokazov gibanja delcev snovi je fizikalni pojav, imenovan difuzija. Difuzija je medsebojno prodiranje kontaktnih snovi druga v drugo, ki nastane kot posledica toplotnega kaotičnega gibanja molekul (atomov).

• Varnostna vprašanja

1. Kaj imenujemo toplotno gibanje?

2. Opredeli difuzijo.

3. Navedite primere difuzije v plinih, tekočinah in trdnih snoveh.

4. Od česa je odvisna hitrost difuzije? Pojasnite razloge za to odvisnost.

5. Navedite primere difuzije v naravi.

vaje

1. Kakšna je razlika med hladno in vročo vodo v »molekularnem pogledu«?
2. V katerem agregatnem stanju (plinastem, trdnem ali tekočem) poteka difuzija hitreje? Zakaj?
3. Ogljikov dioksid težji od drugih plinov, vendar je v zgornje plasti vzdušje. Pojasnite ta pojav.
4. S hrano je prepovedano prevažati snovi, kot so kerozin, bencin in barve. Zakaj?
5. Hitrost molekul plina je nekaj sto metrov na sekundo. Zakaj razlite tekočine ne zavohamo takoj, ampak čez nekaj časa?
6 Zakaj se čaj skuha z vrelo vodo in ne hladno vodo? 7. Zakaj suhe slive v vodi nabreknejo? 8 Enak košček sladkorja smo hkrati spustili v dva kozarca vode (glej sliko). V katerem kozarcu je bila začetna temperatura vode višja?
9. Lignji začutijo nevarnost in izpustijo temno modro zaščitno tekočino. Zakaj čez nekaj časa voda, obarvana s to tekočino, tudi v mirnem stanju, spet postane prozorna?

10. Se vam zdi pravilna trditev, da se vonj po svežem kruhu iz pekarne širi samo v smeri, kamor piha veter? Svoj odgovor utemelji.

• Eksperimentalne naloge

1. Napihnite dva balon. Eno kroglico postavimo na toplo, drugo na hladno. Po enem dnevu primerjajte, kateri balon je bil manj napihnjen. Zakaj?
2. Pripravimo močno raztopino kuhinjske soli. Nalijemo v kozarec čisto vodo, nato z lijakom previdno nalijte raztopino soli na dno kozarca (glejte sliko). Okusite zgornjo tekočino, da se prepričate, da je neslana. Kozarec pustite en dan in nato ponovno poskusite z vodo. Kakšen rezultat ste dobili? Razloži.

3. Vzemite dva kozarca s tankimi stenami. V eno od njih nalijte hladno vodo, v drugo pa vročo vodo. S pipeto nakapajte nekaj kapljic na dno vsakega kozarca. močan čaj. Pojasnite rezultate.

• Fizika in tehnologija v Ukrajini

Ivan Pavlovič Pulyuy (1845-1918) rojen v regiji Ternopil.

Znanstveniki posebej poudarjajo delo Ivana Pulyuya na področju molekularne fizike - podatke o koeficientih notranjega trenja in difuzije plinov in pare. Ti podatki so izhodišče za izračun takšnih mikroskopskih količin, kot je povprečna prosta pot molekul, njihovo število v eni gramski molekuli itd. Na področju elektrotehnike je Ivan Pulyuy izboljšal tehnologijo izdelave svetlobnih svetilk in bil prvi, ki je študiral neonska svetloba. S sodelovanjem Pulyuyja so bile zagnane številne elektrarne DC v Avstro-Ogrski, pa tudi prvi v Evropi na izmenični tok. Pulyu je pomembno prispeval k študiju rentgenskih žarkov.

Fizika. 7. razred: Učbenik / F. Ya. Bozhinova, N. M. Kiryukhin, E. A. Kiryukhina. - X.: Založba "Ranok", 2007. - 192 str.: ilustr.

Absolutno vsi ljudje so slišali za tak koncept, kot je difuzija. To je bila ena od tem pri pouku fizike v 7. razredu. Kljub dejstvu, da nas ta pojav obdaja absolutno povsod, le malo ljudi ve zanj. Kaj to sploh pomeni? kaj je fizični pomen, in kako si lahko z njegovo pomočjo olajšate življenje? Danes bomo govorili o tem.

Difuzija v fiziki: definicija

To je proces prodiranja molekul ene snovi med molekule druge snovi. Govorjenje v preprostem jeziku, ta postopek lahko imenujemo mešanje. Med tem mešanje nastane medsebojno prodiranje molekul snovi med seboj. Na primer, pri pripravi kave molekule instant kave prodrejo v molekule vode in obratno.

Hitrost tega fizični proces odvisno od naslednjih dejavnikov:

1. Temperatura.
2. Agregatno stanje snovi.
3. Zunanji vpliv.

Višja kot je temperatura snovi, hitreje se gibljejo molekule. torej postopek mešanja zgodi hitreje, ko visoke temperature Oh.

Agregatno stanje snovi - najpomembnejši dejavnik . V vsakem agregatnem stanju se molekule premikajo z določeno hitrostjo.

Do difuzije lahko pride v naslednjih agregacijskih stanjih:

1. Tekočina.
2. Trdna.

Najverjetneje bo bralec zdaj imel vprašanja naslednja vprašanja:

1. Kateri so vzroki za difuzijo?
2. Kje se zgodi hitreje?
3. Kako se uporablja v resnično življenje?

Odgovore nanje najdete spodaj.

Vzroki

Čisto vse na tem svetu ima svoj razlog. IN difuzija ni izjema. Fiziki dobro razumejo razloge za njen nastanek. Kako jih pripeljati do navadna oseba?

Zagotovo je že vsak slišal, da so molekule v nenehno gibanje. Poleg tega je to gibanje neurejeno in kaotično, njegova hitrost pa je zelo visoka. Zahvaljujoč temu gibanju in nenehnemu trčenju molekul pride do njihovega medsebojnega prodiranja.

Ali obstajajo dokazi o tem gibanju? Vsekakor! Se spomnite, kako hitro ste začutili vonj po parfumu ali deodorantu? In vonj po hrani, ki jo vaša mama pripravlja v kuhinji? Spomnite se, kako hitro pripravo čaja ali kave. Vse to se ne bi moglo zgoditi, če ne bi bilo gibanja molekul. Sklepamo, da je glavni razlog za difuzijo nenehno gibanje molekul.

Sedaj ostaja samo eno vprašanje - kaj je povzročilo to gibanje? Vodi ga želja po ravnovesju. To pomeni, da v snovi obstajajo območja z visoko in nizko koncentracijo teh delcev. In zahvaljujoč tej želji se nenehno premikajo iz območja visoke koncentracije v nizko koncentracijo. Stalno so trčijo med seboj, in pride do medsebojnega prodiranja.

Difuzija v plinih

Proces mešanja delcev v plinih je najhitrejši. Lahko se pojavi tako med homogenimi plini kot med plini z različnimi koncentracijami.

Živahni primeri iz življenja:

1. Osvežilec zraka vonjate skozi difuzijo.
2. Vonjate hrano, ki se kuha. Upoštevajte, da ga začnete čutiti takoj, vonj po osvežilcu pa po nekaj sekundah. To je razloženo z dejstvom, da je pri visokih temperaturah hitrost gibanja molekul večja.
3. Solze, ki jih dobite pri sekljanju čebule. Molekule čebule se pomešajo z molekulami zraka in vaše oči se na to odzovejo.

Kako poteka difuzija v tekočinah?

Difuzija v tekočinah je počasnejša. Lahko traja od nekaj minut do nekaj ur.

Najbolj presenetljivi primeri iz življenja:

1. Priprava čaja ali kave.
2. Mešanje vode in kalijevega permanganata.
3. Priprava raztopine soli ali sode.

V teh primerih pride do difuzije zelo hitro (do 10 minut). Če pa se na postopek uporabi zunanji vpliv, na primer mešanje teh raztopin z žlico, bo postopek potekal veliko hitreje in ne bo trajal več kot eno minuto.

Difuzija pri mešanju gostejših tekočin bo trajala veliko dlje. Na primer, mešanje dveh tekočih kovin lahko traja več ur. Seveda lahko to storite v nekaj minutah, vendar bo v tem primeru delovalo zlitina nizke kakovosti.

Na primer, difuzija pri mešanju majoneze in kisle smetane bo trajala zelo dolgo. Če pa se zatečete k pomoči zunanjega vpliva, ta proces ne bo trajal niti minute.

Difuzija v trdnih snoveh: primeri

V trdnih snoveh poteka medsebojno prodiranje delcev zelo počasi. Ta proces lahko traja več let. Njegovo trajanje je odvisno od sestave snovi in ​​zgradbe njene kristalne mreže.

Poskusi, ki dokazujejo, da obstaja difuzija v trdnih snoveh.

1. Lepljenje dveh plošč različne kovine. Če ti dve plošči držite blizu eno drugi in pod pritiskom, bo v petih letih med njima 1 milimeter široka plast. Ta majhna plast bo vsebovala molekule obeh kovin. Ti dve plošči bosta spojeni skupaj.
2. Uporabljen je zelo tanek svinčeni valj tanek sloj zlato. Po tem se ta struktura postavi v pečico 10 dni. Temperatura zraka v pečici je 200 stopinj Celzija. Ko je bil ta valj razrezan na tanke diske, je bilo zelo jasno vidno, da je svinec prodrl v zlato in obratno.

Primeri difuzije v okolju

Kot ste že razumeli, trši kot je medij, manjša je hitrost mešanja molekul. Zdaj pa se pogovorimo o tem, kje v resničnem življenju lahko dobite praktične koristi od tega fizičnega pojava.

Proces difuzije se v našem življenju nenehno pojavlja. Tudi ko ležimo na postelji, na površini rjuhe ostane zelo tanek sloj naše kože. Prav tako absorbira znoj. Zaradi tega postelja postane umazana in jo je treba zamenjati.

Torej, manifestacija tega procesa v vsakdanjem življenju je lahko naslednja:

1. Ko maslo namažete na kruh, se vanj vpije.
2. Pri vlaganju kumar sol najprej difundira z vodo, nato pa slana voda začne difuzirati s kumarami. Kot rezultat dobimo okusen prigrizek. Banke je treba zviti. To je potrebno za zagotovitev, da voda ne izhlapi. Natančneje, molekule vode ne smejo difundirati z molekulami zraka.
3. Pri pomivanju posode molekule vode in detergenta prodrejo v molekule preostalih kosov hrane. To jim pomaga, da se odstranijo s krožnika in postanejo čistejši.

Manifestacija difuzije v naravi:

1. Proces oploditve se pojavi ravno zaradi tega fizikalnega pojava. Molekule jajčeca in sperme se razpršijo, nato pa se pojavi zarodek.
2. Gnojenje tal. Z uporabo določenih kemikalij ali komposta postane zemlja bolj rodovitna. Zakaj se to dogaja? Ideja je, da molekule gnojila difundirajo z molekulami zemlje. Po tem pride do procesa difuzije med molekulami zemlje in korenino rastline. Zahvaljujoč temu bo sezona bolj produktivna.
3. Mešanje industrijskih odpadkov z zrakom ga zelo onesnažuje. Zaradi tega postane zrak v radiju kilometra zelo umazan. Njegove molekule difundirajo z molekulami čistega zraka iz sosednjih območij. Tako je še slabše ekološko stanje v mestu.

Manifestacija tega procesa v industriji:

1. Silikonizacija je proces difuzijske nasičenosti s silicijem. Poteka v plinska atmosfera. S silicijem nasičena plast dela nima zelo visoke trdote, vendar ima visoko odpornost proti koroziji in povečano odpornost proti obrabi. morska voda, dušikova, klorovodikova v žveplovi kislini.
2. Difuzija v kovinah igra pomembno vlogo pri izdelavi zlitin. Za pridobitev visokokakovostne zlitine je potrebna izdelava zlitin pri visokih temperaturah in zunanjih vplivih. To bo znatno pospešilo proces difuzije.

Ti procesi se dogajajo v različna področja industrija:

1. Elektronski.
2. Polprevodnik.
3. Strojništvo.

Kot razumete, ima lahko proces difuzije tako pozitiven kot negativen učinek. Morate biti sposobni upravljati svoje življenje in povečati koristi tega fizičnega pojava ter zmanjšati škodo.

Zdaj poznate bistvo takšnega fizičnega pojava, kot je difuzija. Sestoji iz medsebojnega prodiranja delcev zaradi njihovega gibanja. In v življenju se čisto vse premakne. Če ste študent, potem boste po branju našega članka zagotovo prejeli oceno 5. Vso srečo!

Difuzija(iz latinščine diffusio - širjenje, širjenje, razprševanje), prenos delcev različne narave, ki ga povzroča kaotično toplotno gibanje molekul (atomov) v eno- ali večkomponentnih plinastih ali kondenziranih medijih. Tak prenos se zgodi v prisotnosti ali odsotnosti gradienta koncentracije delcev; V zadnji primer proces se imenuje samodifuzija (glej spodaj). Razlikovati difuzijo koloidni delci (ti Brownovi difuzijo), v trdnih snoveh, molekulah, nevtronih, nosilcih naboja v polprevodnikih itd.; na prenos delcev v mediju, ki se giblje z določeno hitrostjo (konvektivni difuzijo) cm. prenos mase, Procesi prenosa, O difuzijo delci v turbulentnih tokovih, glej Turbulentna difuzija. Vse določene vrste difuzijo opisujejo enaki fenomenološki odnosi.

Osnovni pojmi. Glavna značilnost difuzijo služi kot gostota difuzijskega toka J - količina snovi, ki se prenese na enoto časa skozi enoto površine, pravokotno na smer prenos. Če v okolju, kjer ni gradientov temperature, tlaka, električni potencial itd., obstaja koncentracijski gradient z(x, t), ki označuje njegovo spremembo na enoto dolžine v smeri X(enodimenzionalni primer) naenkrat t, nato v izotropnem mirujočem mediju

J = - D(dс/dx), (1)

kje D- koeficient difuzijo(m 2 /s); Znak minus označuje smer toka od višjih k nižjim koncentracijam. Prostorsko-časovna porazdelitev koncentracije:

Enačbi (1) in (2) se imenujeta Fickov prvi in ​​drugi zakon. Tridimenzionalno difuzijo [z (x, y, z; t)] je opisan z enačbami:

J = - D dipl c (3)

kjer je J vektor gostote difuzijskega toka, grad gradient koncentracijskega polja. Prenos delcev v mediju poteka kot zaporedje njihovih naključnih gibanj in absolutna vrednost in smer vsakega od njih ni odvisna od prejšnjih. Difuzijsko gibanje v mediju vsakega delca je običajno označeno s srednjim kvadratnim odmikom L 2 od začetnega položaja v času t. Za tridimenzionalni prostor Velja prva Einsteinova relacija: L 2 = GDt. Torej parameter D označuje učinkovitost vpliva medija na delce.

V primeru difuzijo v večkomponentnih mešanicah v odsotnosti tlačnih in temperaturnih gradientov (izobarično-izotermno difuzijo) za poenostavitev opisa medsebojnega prodiranja komponent v prisotnosti gradientov njihovih koncentracij so uvedeni tako imenovani medsebojni koeficienti difuzijo. Na primer, za enodimenzionalno difuzijo v dvokomponentnem sistemu ima izraz za difuzijski tok ene od komponent obliko:

kje c 1 + z 2 = const, D 12 = D 21 - koeficient medsebojnega difuzijo obe komponenti.

Zaradi neenakomernega segrevanja medija pod vplivom temperaturnega gradienta pride do prenosa komponent plinskih ali tekočih mešanic - toplotne difuzije (v raztopinah - učinek Soret). Če med v ločenih delih sistemu se vzdržuje stalna temperaturna razlika, nato se zaradi toplotne difuzije v volumnu zmesi pojavijo gradienti koncentracije komponent, kar sproži običajno difuzijo. Najnovejše v stacionarno stanje(ob odsotnosti toka snovi) uravnava toplotno difuzijo in v sistemu se pojavi razlika v koncentracijah komponent. Ta vpliv je osnova ene od metod ločevanja izotopov, pa tudi toplotno difuzijskega ločevanja oljnih frakcij.

pri zunanji vpliv na sistem tlačnega gradienta oz gravitacijsko polje pride do barodifuzije. Primeri: difuzijska sedimentacija majhnih suspendiranih delcev ob trku z molekulami plina (glej Zbiranje prahu); baromembranski procesi - reverzna osmoza, mikro- in ultrafiltracija (glej Membranski separacijski procesi, Osmoza). Vpliv na sistem zunanjih električno polje povzroča usmerjen prenos nabitih delcev – elektrodifuzijo. Primeri: elektromembranski procesi, npr. elektrodializa - separacija pod delovanjem električni tok ionizirane spojine zaradi selektivnega prenosa ionov skozi ionske izmenjevalne membrane; difuzijo nosilci naboja - gibanje prevodnih elektronov in lukenj zaradi nehomogenosti njihove koncentracije v polprevodnikih.

Matematično so Fickovi zakoni podobni Fourierovim toplotnim enačbam. Ta analogija temelji na splošnih načelih ireverzibilni procesi prerazporeditev parametrov intenzivnega stanja (koncentracija, temperatura, tlak itd.) med razne dele katerega koli sistema, saj teži k termodinamičnemu ravnotežju. Pri majhnih odstopanjih sistema od tega so ti vzorci opisani z linearnimi razmerji med fizičnimi tokovi. količine in termodinamične sile, tj. gradiente parametrov, ki povzročajo navedena odstopanja. Zlasti difuzijski tok delcev te vrste, poleg koncentracijskih gradientov delcev posamezne vrste, lahko pod ustreznimi pogoji v v večji meri določajo gradienti drugih intenzivnih parametrov in zunanjih sil. IN splošni pogled odnos med tokovi in ​​silami opisujejo fenomenološke enačbe. Na primer v primeru električno nevtralnega binarnega plinskega sistema ob prisotnosti temperaturnega gradienta dТ/dх, gradient tlaka dр/dх in električni gradient potencial d j/ dx izraz za difuzijski tok nabitih delcev qi v enodimenzionalnem primeru ima obliko:

kjer je c skupno število delcev zmesi na prostorninsko enoto; n i = c i/c- se nanaša frakcija delcev i-ta komponenta ( i= 1, 2); D p , D T - koeficient. baro- in toplotna difuzija; m i = q i D/kT(Nernst - Einsteinova relacija) - mobilnost delcev 1. komponente v el. polje; k- Boltzmannova konstanta; T- absolutna temperatura. Na primer v dvojiški obliki mešanica plinov pri stalen pritisk in pomanjkanje zunanje sile skupni difuzijski tok

V odsotnosti pretoka (J = 0) porazdelitev koncentracij najdemo po formuli:

kjer je k T = D T /D 12. Koeficient D T je v veliki meri odvisna od medmolekularne interakcije, zato njeno preučevanje omogoča raziskovanje medmolekulske sile v različnih okoljih.

Hkrati z difuzijskim prenosom delcev tujih snovi (nečistoč), ki so neenakomerno porazdeljene v katerem koli mediju, pride do samodifuzije - naključnega gibanja delcev samega medija, kemična sestava ki se ne spreminja. Ta proces, ki ga opazimo tudi v odsotnosti termodinamičnih sil v sistemu, opisujejo Fickove enačbe, v katerih D nadomesti s parametrom Dc, imenovanim koeficient samodifuzije. Učinki samodifuzije lahko privedejo do zlitja dveh zmletih vzorcev iste snovi, sintranja praškov, ko skozi njih teče električni tok, raztezanja teles pod vplivom bremena, obešenega na njih (difuzijsko lezenje materialov) itd. .

Med medsebojno difuzijo v trdnih snoveh lahko tok atomov ene vrste preseže tok atomov druge vrste, ki gre v nasprotni smeri, če obstajajo ponori za nekompenzirana prosta mesta (in morda za nekompenzirane atome). V tem primeru se v kristalu pojavijo pore, ki vodijo v nestabilnost kristalna mreža kako mehanski sistem in posledično do premika kristalnih ravnin kot celote (Kirkindahlov učinek). Zlasti med medsebojno difuzijo v binarnih kovinskih sistemih opazimo gibanje "inertnih" markerjev, na primer tanke ognjevzdržne žice iz Mo ali W s premerom več mikronov, vnesene v difuzijsko cono.

Hitrost difuzijskega prenosa mase v različne snovi ali materiale, jih je včasih priročno označiti z njihovo konstanto prepustnosti P = Dg, kjer je g Henryjeva konstanta, ki določa ravnotežno topnost prenesene komponente. Zlasti izraz za stacionarni tok molekul plina, ki difundira skozi ločilno pregrado (membrano) debeline d, ima obliko: J = ПgDр/d, kjer je Dр razlika v parcialnih tlakih ločenih komponent mešanice plinov na obeh straneh predelne stene.

kvote difuzijo bistveno razlikujejo pri difuzijskih procesih v plinastih in kondenziranih (tekočih in trdnih) medijih: najhitrejši prenos delcev poteka v plinih ( D približno 10 - 4 m 2 / s pri normalni temperaturi in tlaku), počasneje v tekočinah (okoli 10 - 9), še počasneje v trdnih snoveh (okoli 10 - 12). Ponazorimo te zaključke s primeri molekularnih difuzijo.

Difuzija v plinska okolja . Za oceno D prosta pot molekul je vzeta kot značilen (povprečen) premik delcev l = u t, kje in in t sta povprečna hitrost gibanja delcev in čas med njihovimi trki. Po Einsteinovi prvi relaciji D~ l 2 t -1 ; bolj natančno D= 1/3 lu. Koeficient difuzijo obratno sorazmerna s pritiskom r plina, ker l ~ 1/r; z naraščajočo temperaturo T(pri konstantnem volumnu) D narašča sorazmerno s T 1/2, ker; s povečanjem molska masa plin D zmanjša. Glede na kinetična teorija plini, medsebojni koeficienti difuzijo plini A in IN v binarni mešanici (tabela 1)

kje r - skupni tlak v sistemu, t A in t B - plinske mase, s A in s B sta parametra Lennard-Jonesovega potenciala (glej na primer Absorpcija).

Zelo praktičnega pomena je prenos plinov skozi pore v trdnih snoveh. Pri relativno nizkih plinskih tlakih ali velikostih por (r 0), ko frekvenca trkov molekul plina s stenami por presega frekvenco medsebojnih trkov molekul, t.j. povprečna dolžina njihov prosti tek l>> r 0 (za normalni tlak pri r 0< 10 - 7 м), наблюдается так называемая кнудсеновская difuzijo. V tem primeru je pretok plina skozi porozno pregrado sorazmeren s povprečno hitrostjo molekul, konstanta prepustnosti plina pa se določi iz enačbe:

kjer je N s - površinska gostota pore v septumu. Ker je povprečna hitrost molekul obratno sorazmerna kvadratni koren iz svojih mas sestavine ločene mešanice plinov prodrejo skozi pore membrane z različne hitrosti; Posledično je zmes, ki gre skozi pregrado, obogatena z lažjimi komponentami. Z naraščanjem tlaka plina v takih poroznih sistemih se poveča površinska koncentracija molekul, adsorbiranih na stene por. Nastala adsorpcijska plast je lahko mobilna in se premika vzdolž površine por, zaradi česar je vzporedno z volumetričnim difuzijskim prenosom v njej možen površinski transport. difuzijo plin Slednje včasih pomembno vpliva na kinetiko kemičnih transformacij, kar povzroči neravnovesno porazdelitev medsebojno delujočih reagentov v sistemu.

Difuzija v kondenzirani snovi. V tekočinah in trdnih snoveh difuzijo se izvaja s preskoki delcev iz enega stabilnega položaja v drugega, razdalja med njimi je reda medmolekularnih. Takšni skoki zahtevajo lokalno preureditev neposrednega okolja vsakega delca (verjetnost preureditve je označena z aktivacijsko entropijo D S) in naključno kopičenje določene količine toplotne energije v tem območju E D(aktivacijska energija difuzijo). Po skoku se vsak delec znajde v novem energijsko ugodnem položaju, sproščena energija pa se razprši v mediju. Ob istem času D= D 0 exp(- E D/RT), kjer je D 0 = n*exp (DS/R) faktor entropije, odvisen od frekvence "toplotnih udarcev" molekul medija (n ~ 10 12 s - 1), R- plinska konstanta. Difuzijsko gibanje delcev v tekočini je določeno z njenimi viskoznimi lastnostmi, velikostjo delcev in je označeno z njihovo tako imenovano mobilnostjo (~ D/kT kjer D ~ kT(Einsteinova druga relacija). Parameter (- koeficient sorazmernosti med hitrostjo delcev in pogonsko silo F pri stacionarno gibanje s trenjem ( in= (F). Na primer, v primeru sferične simetrični delci polmer r, za katerega (= 1/6prh(T) velja Stokes-Einsteinova enačba: D = kT/6prh(T), kjer je h(T) koeficient dinamična viskoznost okolje kot funkcija temperature. Napredovanje D z naraščajočo temperaturo v tekočinah je razloženo z zmanjšanjem gostote pakiranja njihovih molekul ("rahljanje strukture") pri segrevanju in posledično povečanjem števila skokov delcev na enoto časa. Koeficient difuzijo različne snovi v tekočinah so podani v tabeli. 2 in 3; značilne vrednosti E D~ 20-40 kJ/mol.

Koeficient difuzijo v trdnih snoveh organska telesa imajo znatno razpršitev, ki v nekaterih primerih doseže vrednosti, primerljive z ustreznimi parametri v tekočinah. Največje zanimanje je difuzijo plini v polimerih. kvote difuzijo v njih (tabela 4) so ​​odvisne od velikosti difuzijskih molekul, značilnosti njihove interakcije z fragmenti makromolekul, mobilnosti polimernih verig, prostega volumna polimera (razlika med dejanskim volumnom in skupnim volumnom gostote). pakirane molekule) in heterogenost njegove strukture.

Visoke vrednosti D pri temperaturah nad temperaturo steklastega prehoda polimerov so posledica visoke mobilnosti fragmentov makromolekul pod temi pogoji, kar vodi do prerazporeditve prostega volumna in s tem do povečanja DS in zmanjšanja E D. Pri temperaturah pod temperaturo posteklenitve so koeficienti difuzijo imajo praviloma manjše vrednosti. pri difuzijo v vrednostih polimernih tekočin D lahko odvisna od koncentracije raztopljenih komponent zaradi njihovega plastifikacijskega učinka. kvote difuzijo ione v ionskih izmenjevalnih smolah v veliki meri določa njihova vsebnost vlage (povprečno število n molekule vode na ionogeno skupino). Z visoko vsebnostjo vlage ( p> 15) kvote difuzijo primerljiv z ustreznim D za ione v elektrolitih (glej tabeli 5 in 3). pri n< 10 kvot difuzijo padajo eksponentno z zmanjševanjem str.

V trdnih anorganskih telesih, kjer sta delež prostega volumna in amplituda nihanja atomov kristalne mreže nepomembna, difuzijo je posledica prisotnosti motenj v njihovi strukturi (glej Napake v kristalih), ki nastanejo med izdelavo, segrevanjem, deformacijo in drugimi vplivi. V tem primeru je mogoče uporabiti več mehanizmov difuzijo: izmenjava mest atomov in izmenjava mest dveh sosednjih atomov, hkratno ciklično gibanje več atomov, njihovo gibanje vzdolž vmesnih prostorov itd. Prvi mehanizem prevladuje, na primer, pri tvorbi substitucijskih trdnih raztopin, slednji - intersticijska trdna snov rešitve. Difuzijski procesi potekajo z opazno hitrostjo le pri visokih temperaturah. Na primer, kot izhaja iz tabele. 6, kvote difuzijo Ko se temperatura dvigne od 20 do 300 °C, se O 2 v CaO in Cr 2 O 3 poveča za 2 10 10 oziroma 3 10 39-krat. Med prenosom mase v območju linearnih dislokacij in vzdolž površinskih (meja zrn) defektov v polikristalnih telesih D povečati za 4-5 stopenj velikosti.

Za določitev koeficientov difuzijo izračunani podatki (koncentracijski profili in tokovi difuzijskih delcev, sorpcijsko-desorpcijski vzorci) so primerjani z eksperimentalnimi. Slednje ugotavljamo z različnimi fizikalno-kemijskimi metodami: izotopskimi indikatorji, rentgensko mikroanalizo, gravimetrijo, masno spektrometrijo, optično (refraktometrija, IR spektroskopija) itd.

IN šolski kurikulum Pri predmetu fizike (približno v sedmem razredu) se šolarji naučijo, da je difuzija proces, ki predstavlja medsebojno prodiranje delcev ene snovi med delce druge snovi, zaradi česar se koncentracije izenačijo po vsej zasedeni prostornini. To je precej težko razumljiva definicija. Da bi razumeli, kaj je preprosta difuzija, zakon difuzije, njena enačba, je treba podrobno preučiti gradivo o teh vprašanjih. Če pa ima človek dovolj splošna ideja, potem vam bodo spodnji podatki pomagali pridobiti osnovno znanje.

Fizični pojav - kaj je to

Ker je veliko ljudi zmedenih ali sploh ne ve, kaj je fizikalni pojav in v čem se razlikuje od kemičnega ter na katere vrste pojavov se nanaša difuzija, je treba razumeti, kaj je fizikalni pojav . Kot je torej vsem znano, je fizika samostojna veda, ki spada v področje naravoslovja in se ukvarja s proučevanjem splošnega naravne zakone o zgradbi in gibanju snovi ter proučuje tudi snov samo. Skladno s tem je fizikalni pojav pojav, zaradi katerega ne nastanejo nove snovi, ampak pride le do spremembe strukture snovi. Razlika med fizikalnim pojavom in kemičnim je ravno v tem, da zaradi tega ne nastanejo nove snovi. Tako je difuzija fizikalni pojav.

Opredelitev pojma difuzija

Kot veste, lahko obstaja veliko formulacij določenega koncepta splošni pomen ne sme spremeniti. In pojav difuzije ni izjema. Splošna definicija je naslednja: difuzija je fizikalni pojav, ki predstavlja medsebojno prodiranje delcev (molekul, atomov) dveh ali več snovi do enakomerna porazdelitev v celotnem volumnu, ki ga zasedajo te snovi. Zaradi difuzije ne nastajajo nove snovi, zato je prav fizikalni pojav. Preprosto difuzijo imenujemo difuzija, pri kateri se delci premikajo iz območja največje koncentracije v območje nižje koncentracije, kar nastane zaradi toplotnega (kaotičnega, brownovskega) gibanja delcev. Z drugimi besedami, difuzija je proces mešanja delcev različnih snovi, pri čemer se delci enakomerno porazdelijo po celotnem volumnu. To je zelo poenostavljena definicija, vendar najbolj razumljiva.

Vrste difuzije

Difuzijo lahko zabeležimo tako pri opazovanju plinastih kot tekoče snovi, in za trdne. Zato vključuje več vrst:

• Kvantna difuzija je proces difuzije delcev ali točkastih defektov (lokalnih motenj v kristalni mreži snovi), ki se dogaja v trdnih snoveh. Lokalne kršitve- to je kršitev na določeni točki kristalne mreže.

• Koloidna - difuzija, ki poteka po celotnem volumnu koloidnega sistema. Koloidni sistem je medij, v katerem so razporejeni delci, mehurčki, kapljice drugega medija, ki se po agregatnem stanju in sestavi razlikuje od prvega. Takšni sistemi in procesi, ki se v njih pojavljajo, so podrobno preučeni v tečaju koloidne kemije.
• Konvektivni - prenos mikrodelcev ene snovi z makrodelci medija. S proučevanjem gibanja se ukvarja posebna veja fizike, imenovana hidrodinamika kontinuum. Od tam lahko pridobite znanje o stanjih toka.
• Turbulentna difuzija je proces prehajanja ene snovi v drugo, ki ga povzroči turbulentno gibanje druga snov (značilna za pline in tekočine).

Potrjena je izjava, da se lahko difuzija pojavi tako v plinih in tekočinah kot v trdnih snoveh.

Kaj je Fickov zakon?

Nemški znanstvenik, fizik Fick, je izpeljal zakon, ki kaže odvisnost gostote toka delcev skozi enoto površine od spremembe koncentracije snovi na enoto dolžine. Ta zakon je zakon difuzije. Zakon lahko formuliramo takole: tok delcev, ki je usmerjen vzdolž osi, je sorazmeren z odvodom števila delcev glede na spremenljivko, narisano vzdolž osi, glede na katero je določena smer toka delcev. Z drugimi besedami, tok delcev, ki se premikajo v smeri osi, je sorazmeren z odvodom števila delcev glede na spremenljivko, ki je narisana vzdolž iste osi kot tok. Fickov zakon nam omogoča opis procesa prenosa snovi v času in prostoru.

Difuzijska enačba

Ko v snovi obstajajo tokovi, pride do prerazporeditve same snovi v prostoru. V zvezi s tem obstaja več enačb, ki opisujejo ta proces prerazporeditve z makroskopskega vidika. Difuzijska enačba je diferencialna. Izhaja iz splošna enačba prenos snovi, ki se imenuje tudi enačba kontinuitete. V prisotnosti difuzije se uporablja Fickov zakon, ki je opisan zgoraj. Enačba izgleda takole:

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

Difuzijske metode

Metoda difuzije, natančneje metoda njenega izvajanja v trdi materiali, ki se pogosto uporablja v v zadnjem času. To je posledica prednosti metode, med katerimi je preprostost uporabljene opreme in samega postopka. Bistvo difuzijske metode iz trdni viri sestoji iz nanašanja filmov, dopiranih z enim ali več elementi, na polprevodnike. Obstaja več drugih metod za izvajanje difuzije poleg metode trdnega vira:

• v zaprtem volumnu (ampulna metoda). Minimalna toksičnost je prednost metode, vendar je njena visoka cena zaradi enkratne uporabe ampule pomembna pomanjkljivost;
• v odprtem volumnu (toplotna difuzija). Možnost uporabe številnih elementov je izključena zaradi visokih temperatur, velika slabost te metode pa je tudi stranska difuzija;
• v delno zaprtem volumnu (metoda škatle). To je vmesna metoda med obema zgoraj opisanima.

Če želite izvedeti več o metodah in značilnostih difuzije, morate preučiti nadaljnje branje namenjeno posebej tem vprašanjem.