Printre numeroasele fenomene din fizică, procesuldifuzia este una dintre cele mai simple și mai ușor de înțeles. La urma urmei, în fiecare dimineață, în timp ce își pregătește ceai sau cafea aromată, o persoană are ocazia să observe această reacție în practică. Să aflăm mai multe despre acest proces și condițiile pentru desfășurarea acestuia în diferite stări de agregare.
Acest cuvânt se referă la pătrunderea moleculelor sau a atomilor unei substanțe între unitățile structurale similare ale alteia. În acest caz, concentrația compușilor penetranți este nivelată.
Acest proces a fost descris pentru prima dată în detaliu de către omul de știință german Adolf Fick în 1855.
Numele acestui termen a fost derivat de la substantivul verbal latin difuzie (interacțiune, dispersare, răspândire).
Procesul luat în considerare poate avea loc cu substanțe din toate cele trei stări de agregare: gazoasă, lichidă și solidă. Pentru a găsi exemple practice în acest sens, trebuie doar să te uiți în bucătărie.
Borșul fiert pe aragaz este unul dintre ele.Sub influența temperaturii, moleculele de glucozinbetanină (substanța datorită căreia sfecla are o culoare stacojie atât de bogată) reacționează uniform cu moleculele de apă, conferindu-i o nuanță unică de visiniu. Acest caz este un exemplu de difuzie în lichide.
Pe lângă bors, acest proces poate fi văzut înun pahar de ceai sau cafea. Ambele băuturi au o nuanță bogată atât de uniformă datorită faptului că particulele de bere sau de cafea, dizolvându-se în apă, se răspândesc uniform între moleculele sale, colorându-le. Acțiunea tuturor băuturilor populare instantanee din anii nouăzeci este construită pe același principiu: Yupi, Invite, Zuko.
Continuând să căutăm mai departe manifestările procesului în cauză în bucătărie, merită să adulmecăm și să ne bucurăm de aroma plăcută emanată de un buchet de flori proaspete pe masa de luat masa. De ce se întâmplă?
Atomii și moleculele care transportă mirosul sunt în mișcare activă și, ca urmare a acestuia, se amestecă cu particulele deja conținute în aer și se dispersează destul de uniform pe tot volumul camerei.
Aceasta este o manifestare a difuziei în gaze. Este demn de remarcat faptul că însăși inhalarea aerului aparține procesului luat în considerare, la fel și mirosul apetisant al borsului proaspăt preparat în bucătărie.
Masa de bucătărie, pe care sunt flori, este acoperită cu o față de masă galben strălucitor. Ea a primit o nuanță similară datorită capacității de difuzie de a trece prin solide.
Însăși procesul de a oferi pânzei un fel de nuanță uniformă are loc în mai multe etape, după cum urmează.
De obicei, vorbind despre acest proces, se ia în considerareinteracțiunile substanțelor în aceleași stări de agregare. De exemplu, difuzia în solide, solide. Pentru a demonstra acest fenomen, se efectuează un experiment cu două plăci metalice (aur și plumb) presate una pe cealaltă. Interpenetrarea moleculelor lor durează mult (un milimetru în cinci ani). Acest proces este folosit pentru a realiza bijuterii neobișnuite.
Cu toate acestea, compușii din diferite stări de agregare se pot difuza și. De exemplu, există difuzie de gaze în solide.
În cadrul experimentelor, s-a dovedit că un proces similar are loc într-o stare atomică. Pentru ao activa, de regulă, este necesară o creștere semnificativă a temperaturii și a presiunii.
Un exemplu de astfel de difuzie a gazelor în solide este coroziunea cu hidrogen. Se manifestă în situații în care atomii de hidrogen (Н2) sub influența temperaturilor ridicate (de la 200 la 650 grade Celsius) pătrund între particulele metalice structurale.
Pe lângă hidrogen, difuzie în solideoxigenul și alte gaze sunt, de asemenea, capabile să apară. Acest proces, imperceptibil pentru ochi, face mult rău, deoarece structurile metalice se pot prăbuși din cauza acestuia.
Cu toate acestea, nu numai moleculele de gaz pot pătrunde în solide, ci și lichide. La fel ca în cazul hidrogenului, cel mai adesea acest proces duce la coroziune (când vine vorba de metale).
După ce am aflat substanțele în care poate avea loc procesul în cauză, merită să aflăm condițiile pentru desfășurarea acestuia.
În primul rând, rata de difuzie depinde deîn ce stare de agregare se află substanțele care interacționează. Cu cât densitatea materialului în care are loc reacția este mai mare, cu atât viteza este mai mică.
În acest sens, difuzia în lichide și gaze va fi întotdeauna mai activă decât în solide.
De exemplu, dacă cristalele de permanganat de potasiu KMnO4 (permanganat de potasiu) Aruncați în apă, în câteva minute îi vor da o frumoasă culoare roșiatică. Cu toate acestea, dacă este presărat cu cristale KMnO4 o bucată de gheață și puneți totul în congelator; după câteva ore, permanganatul de potasiu nu va putea colora complet N înghețat2DESPRE.
Din exemplul anterior, se poate trage încă o concluzie despre condițiile de difuzie. Pe lângă starea de agregare, temperatura afectează și rata de interpenetrare a particulelor.
Pentru a lua în considerare dependența procesului luat în considerare de acesta, merită să aflăm despre un astfel de concept precum coeficientul de difuzie. Acesta este numele caracteristicii cantitative a vitezei sale.
În majoritatea formulelor, se notează folosind litera mare latină D, iar în sistemul SI se măsoară în metri pătrați pe secundă (m2 / s), uneori în centimetri pe secundă (cm2/ m).
Coeficientul de difuzie este egal cu cantitatea de substanțăîmprăștierea printr-o unitate de suprafață pe o unitate de timp, cu condiția ca diferența de densitate pe ambele suprafețe (situate la o distanță egală cu o unitate de lungime) să fie egală cu unitatea. Criteriile care determină D sunt proprietățile substanței în care are loc procesul de împrăștiere a particulelor și tipul acestora.
Dependența coeficientului de temperatură poate fi descrisă folosind ecuația Arrhenius: D = D0 exp(-E / TR).
În formula luată în considerare, E este energia minimă necesară pentru activarea procesului; T - temperatura (măsurată în Kelvin, nu Celsius); R este constanta de gaz caracteristică unui gaz ideal.
Pe lângă toate cele de mai sus, pentru vitezădifuzia în solide, lichidul în gaze este influențat de presiune și radiație (inductivă sau de înaltă frecvență). În plus, mult depinde de prezența unei substanțe catalitice; deseori acționează ca un factor declanșator pentru declanșarea dispersiei active a particulelor.
Acest fenomen este o formă specială a ecuației diferențiale parțiale.
Scopul său este de a găsi dependența de concentrarecontează pe dimensiunea și coordonatele spațiului (în care difuzează), precum și pe timp. În acest caz, coeficientul dat caracterizează permeabilitatea mediului pentru reacție.
Cel mai adesea, ecuația de difuzie este scrisă astfel: ∂φ (r, t) / ∂t = ∇ x [D (φ, r) ∇ φ (r, t)].
În ea, φ (t și r) este densitatea materiei de împrăștiere la punctul r la timpul t. D (φ, r) este coeficientul de difuzie generalizat la densitatea φ în punctul r.
∇ este un operator diferențial vectorial, ale cărui componente în coordonate sunt denumite derivate parțiale.
Când coeficientul de difuzie este dependent de densitate, ecuația este neliniară. Când nu, liniar.
Având în vedere definiția difuziei și caracteristicile acestui proces în diferite medii, se poate observa că are atât părți pozitive, cât și negative.
