A fizika számos jelensége közül a diffúziós folyamat az egyik legegyszerűbb és legérthetőbb. Végül is minden reggel, illatos teát vagy kávét készítve, az embernek lehetősége van megfigyelni ezt a reakciót a gyakorlatban. Tanuljunk meg többet erről a folyamatról és a különböző aggregált állapotokban való előfordulásának feltételeiről.
Mi az a diffúzió
Ez a szó egy anyag molekuláinak vagy atomjainak behatolását jelenti egy másik anyag hasonló szerkezeti egységei közé. Ebben az esetben a behatoló vegyületek koncentrációja kiegyenlítődik.
Ezt a folyamatot először Adolf Fick német tudós írta le részletesen 1855-ben
Ennek a kifejezésnek a neve a latin diffusio (kölcsönhatás, szóródás, eloszlás) igei főnévből alakult ki.
Diffúzió folyadékban
A vizsgált folyamat előfordulhat mindhárom aggregációs állapotú anyagoknál: gáznemű, folyékony és szilárd halmazállapotú. Ennek gyakorlati példáiért nézze megkonyha.
A tűzhelyen főtt borscs az egyik ilyen. A hőmérséklet hatására a glükozin betanin molekulái (olyan anyag, ami miatt a cékla olyan gazdag skarlát színű) egyenletesen reagálnak a vízmolekulákkal, így egyedi bordó árnyalatot adnak. Ez az eset a folyadékokban való diffúzió példája.
Ez a folyamat a borscs mellett egy pohár teában vagy kávéban is megfigyelhető. Mindkét ital egységesen gazdag árnyalatú, mivel a vízben oldódó tealevél vagy kávészemcsék egyenletesen eloszlanak a molekulái között, színezve azt. A kilencvenes évek összes népszerű instant italának akciója ugyanazon az elven alapul: Yupi, Invite, Zuko.
Gázok áthatolása
Továbbra is keresve a szóban forgó folyamat megnyilvánulásait a konyhában, érdemes beleszimatolni és élvezni az étkezőasztalon egy csokor friss virágból áradó kellemes aromát. Miért történik ez?
A szaghordozó atomok és molekulák aktív mozgásban vannak, és ennek eredményeként keverednek a levegőben lévő részecskékkel, és meglehetősen egyenletesen oszlanak el a helyiség térfogatában.
Ez a gázokban való diffúzió megnyilvánulása. Érdemes megjegyezni, hogy maga a levegő belélegzése is hozzátartozik a vizsgált folyamathoz, valamint a frissen főtt borscs étvágygerjesztő illata a konyhában.
Diffúzió szilárd anyagokban
A virágokkal díszített konyhaaszt alt élénksárga terítő borítja. Hasonló árnyalatot kapott köszönhetőena diffúzió képessége, hogy áthaladjon szilárd anyagokon.
A vászon egységes árnyalatának adásának folyamata több szakaszból áll, az alábbiak szerint.
- Sárga pigment részecskék diffundáltak a tintatartályban a rostos anyag felé.
- Ezután felszívta őket a festett anyag külső felülete.
- A következő lépés ismét a festék diffundálása volt, de ezúttal a szövedék szálaiba.
- A döntőben az anyag rögzítette a pigmentszemcséket, így elszíneződött.
Gázok diffúziója fémekben
Általában, ha erről a folyamatról beszélünk, akkor vegyük figyelembe az azonos aggregációs állapotú anyagok kölcsönhatását. Például diffúzió szilárd anyagokban, szilárd anyagokban. A jelenség bizonyítására kísérletet végzünk két egymáshoz nyomott fémlemezzel (arany és ólom). Molekuláik áthatolása meglehetősen hosszú időt vesz igénybe (öt év alatt egy milliméter). Ezzel az eljárással szokatlan ékszereket készítenek.
Azonban a különböző halmazállapotú vegyületek is képesek diffundálni. Például szilárd anyagokban gázok diffúziója zajlik.
A kísérletek során bebizonyosodott, hogy ilyen folyamat atomi állapotban megy végbe. Az aktiváláshoz általában a hőmérséklet és a nyomás jelentős emelésére van szükség.
A szilárd anyagokban ilyen gázdiffúzióra példa a hidrogénkorrózió. Olyan helyzetekben nyilvánul meg, aholA hidrogénatomok (Н2), amelyek valamilyen kémiai reakció során, magas hőmérséklet (200-650 Celsius-fok) hatására keletkeztek, behatolnak a fém szerkezeti részecskéi közé.
A hidrogénen kívül oxigén és egyéb gázok diffúziója is előfordulhat szilárd anyagokban. Ez a szemmel észrevehetetlen folyamat nagyon sokat árt, mert a fémszerkezetek összedőlhetnek miatta.
Folyadékok diffúziója fémekben
Azonban nem csak a gázmolekulák tudnak behatolni a szilárd anyagokba, hanem a folyadékokba is. A hidrogénhez hasonlóan ez a folyamat leggyakrabban korrózióhoz vezet (ha fémekről van szó).
A szilárd anyagokban történő folyadékdiffúzió klasszikus példája a fémek korróziója víz (H2O) vagy elektrolitoldatok hatására. A legtöbb számára ez a folyamat inkább rozsdásodás néven ismert. A hidrogénkorrózióval ellentétben a gyakorlatban sokkal gyakrabban kell vele találkozni.
A diffúzió felgyorsításának feltételei. Diffúziós együttható
Miután foglalkoztunk azokkal az anyagokkal, amelyekben a szóban forgó folyamat végbemehet, érdemes megismerni annak előfordulásának feltételeit.
Először is, a diffúzió sebessége a kölcsönhatásban lévő anyagok aggregált állapotától függ. Minél nagyobb az anyag sűrűsége, amelyben a reakció végbemegy, annál lassabb a sebessége.
Ebben a tekintetben a diffúzió folyadékokban és gázokban mindig aktívabb lesz, mint szilárd anyagokban.
Például, ha a kristályokkálium-permanganát KMnO4 (kálium-permanganát) vízbe dobva gyönyörű málnaszínt adnak néhány perc múlva Szín. Ha azonban KMnO4 kristályokat szórunk egy jégdarabra, és az egészet betesszük a fagyasztóba, néhány óra múlva kálium-permanganát nem tudja teljesen kiszínezni a fagyott H 2
O.
Az előző példából még egy következtetés vonható le a diffúziós feltételekről. Az aggregáció állapotán kívül a hőmérséklet a részecskék áthatolási sebességét is befolyásolja.
A vizsgált folyamat attól való függésének figyelembevételéhez érdemes megismerni egy olyan fogalmat, mint a diffúziós együttható. Ez a sebessége mennyiségi jellemzőjének neve.
A legtöbb képletben nagy latin D betűvel jelölik, az SI rendszerben pedig négyzetméter per másodpercben (m² / s), néha centiméter per másodpercben (cm2) /m).
A diffúziós együttható megegyezik az egységnyi felületen egységnyi idő alatt szétszórt anyag mennyiségével, feltéve, hogy a sűrűségkülönbség mindkét felületen (amely egységnyi hossznak megfelelő távolságra van) egyenlő eggyel. A D-t meghatározó kritériumok annak az anyagnak a tulajdonságai, amelyben maga a részecskeszórási folyamat végbemegy, és ezek típusa.
Az együttható hőmérséklettől való függése az Arrhenius-egyenlettel írható le: D=D0exp(-E/TR).
A figyelembe vett képletben E a folyamat aktiválásához szükséges minimális energia; T - hőmérséklet (kelvinben, nem Celsiusban mérve); R-ideális gázra jellemző gázállandó.
A fentieken kívül a diffúzió sebességét szilárd anyagokban, folyadékokban gázokban befolyásolja a nyomás és a sugárzás (induktív vagy nagyfrekvenciás). Ezen túlmenően sok múlik egy katalitikus anyag jelenlétén, gyakran ez indítja el a részecskék aktív diszperzióját.
Diffúziós egyenlet
Ez a jelenség a parciális differenciálegyenlet egy sajátos formája.
Célja, hogy megtalálja egy anyag koncentrációjának a tér méretétől és koordinátáitól (amelyben diffundál), valamint az időtől való függését. Ebben az esetben az adott együttható a reakcióközeg permeabilitását jellemzi.
A diffúziós egyenletet leggyakrabban a következőképpen írják fel: ∂φ (r, t)/∂t=∇ x [D(φ, r) ∇ φ (r, t)].
Ebben a φ (t és r) a szóródó anyag sűrűsége az r pontban a t időpontban. D (φ, r) - általánosított diffúziós együttható φ sűrűségnél az r pontban.
∇ - vektor differenciáloperátor, amelynek komponensei koordinátákban parciális deriváltok.
Ha a diffúziós együttható sűrűségfüggő, az egyenlet nemlineáris. Amikor nem - lineáris.
Ha figyelembe vesszük a diffúzió definícióját és ennek a folyamatnak a sajátosságait a különböző környezetekben, megállapítható, hogy van pozitív és negatív oldala is.
