Diffusjon i faststoffer, væsker og gasser: definisjon, betingelser

dannelse

Blant de mange fenomenene i fysikkprosessendiffusjon refererer til en av de mest enkle og rettferdige. Tross alt, hver morgen, forbereder deg en aromatisk te eller kaffe, har en person muligheten til å observere denne reaksjonen i praksis. La oss finne ut mer om denne prosessen og betingelsene for dens forekomst i ulik tilstand av aggregering.

Hva er diffusjon

Dette ordet refererer til penetrasjon av molekyler eller atomer av ett stoff mellom lignende strukturelle enheter av en annen. I dette tilfelle er konsentrasjonen av penetrerende forbindelser justert.

For første gang ble denne prosessen beskrevet i detalj av den tyske forskeren Adolf Fick i 1855.

Navnet på denne termen ble hentet fra det latinske verbale substantiv diffusio (interaksjon, dispersjon, distribusjon).

Væskediffusjon

Den behandlede prosessen kan forekomme med stoffer i alle tre aggregerende tilstander: gassformig, flytende og fast. For å finne praktiske eksempler på dette, må du bare se på kjøkkenet.

Koking borscht på komfyren er en av dem. Under virkningen av temperaturen i molekylet, glukosinbetanin (et stoff hvor beets har en slik mettet skarlet farge) reagerer jevnt med vannmolekyler, noe som gir den en unik burgunderhue. Denne saken er et eksempel på diffusjon i væsker.

I tillegg til borscht, kan denne prosessen ses ien kopp te eller kaffe. Begge disse drikkene har en så jevn mettet farge på grunn av at brygging eller kaffepartikler, som oppløses i vann, jevnt spredes mellom molekylene, farger det. På samme prinsipp er handlingen av alle populære øyeblikkelige drikker fra nittitallet bygd: Yupi, Invite, Zuko.

Gassinterpenetrasjon

Fortsetter å se nærmere på manifestasjonene av prosessen som vurderes i kjøkkenet, er det verdt å lukte og nyte den behagelige duften som kommer fra buketten med friske blomster på spisebordet. Hvorfor skjer dette?

Atomer og molekyler som overfører lukt, er i aktiv bevegelse, og som et resultat blir de blandet med partikler som allerede er inneholdt i luften og ganske jevnt dispergert gjennom hele volumet av rommet.

Dette er en manifestasjon av diffusjon i gasser. Det skal bemerkes at selve innånding av luft også refererer til prosessen under behandling, samt den deilige lukten av nybakt borsch på kjøkkenet.

Diffusjon i faststoffer

Kjøkkenbordet, som blomstene står på, er dekket med en lys gul duk. Den fikk en lignende nyanse på grunn av diffusjonsevnen til å passere gjennom faste stoffer.

Prosessen med å gi en ensartet nyanse til et lerret foregår i flere trinn som følger.

De gule pigmentpartiklene diffunderte i fargingsbeholderen mot det fibrøse materialet.
Da ble de absorbert av den ytre overflaten av det fargede stoffet.
Det neste trinnet var igjen diffusjonen av fargestoffet, men denne gangen inne i fibrene på nettet.
I slutten ble stoffet fast pigmentpartikler, så farget.

Gassdiffusjon i metaller

Vanligvis, å snakke om denne prosessen, vurderesamspill av stoffer i samme aggregeringsnivå. For eksempel diffusjon i faste stoffer, faste stoffer. For å bevise dette fenomenet utføres forsøket med to metallplater presset sammen (gull og bly). Interpenetrasjonen av molekylene tar ganske lang tid (en millimeter om fem år). Denne prosessen brukes til å lage uvanlige dekorasjoner.

Imidlertid kan forbindelser i forskjellige aggregative tilstander også diffundere. For eksempel er det diffusjon av gasser i faststoffer.

Under forsøkene ble det påvist at en lignende prosess foregår i atomform. For å aktivere det, trenger du som regel en betydelig økning i temperatur og trykk.

Et eksempel på slik gassdiffusjon i faste stoffer er hydrogenkorrosjon. Det manifesterer seg i situasjoner der hydrogenatomer (H₂) under påvirkning av høye temperaturer (fra 200 til 650 grader Celsius) trengs mellom strukturelle metallpartikler.

I tillegg til hydrogen, i faststoffer diffusjonoksygen og andre gasser kan også forekomme. Denne prosessen usynlig for øyet gjør mye skade, fordi metallstrukturer kan kollapse på grunn av det.

Diffusjon av væsker i metaller

Imidlertid kan ikke bare gassmolekyler trenge inn i faste stoffer, men også væsker. Som i tilfelle av hydrogen, fører denne prosessen oftest til korrosjon (i tilfelle av metaller).

Et klassisk eksempel på diffusjon av væske i faste stoffer er korrosjon av metaller under påvirkning av vann (H₂O) eller elektrolyttløsninger. For de fleste er denne prosessen mer kjent som rusting. I motsetning til hydrogenkorrosjon, må det i praksis oppstå mye oftere.

Forhold for diffusjonsakselerasjon. Diffusjonskoeffisient

Etter å ha forstått stoffene der prosessen under vurdering kan forekomme, er det verdt å vite om betingelsene for dens forekomst.

Først av alt avhenger diffusjonshastighetenSammensetningen av de samvirkende stoffene. Jo større tettheten av materialet der reaksjonen oppstår, jo langsommere dens hastighet.

I denne forbindelse vil diffusjonen i væsker og gasser alltid finne sted mer aktivt enn i faste stoffer.

For eksempel, hvis kaliumpermanganatkrystaller KMnO_{4 (}kaliumpermanganat₎Kast i vannet, de vil gi henne en vakker crimson farge i noen minutter. Men hvis sprinklet med KMnO krystaller₄et isstykke og sett alt i fryseren, etter noen timer vil kaliumpermanganat ikke være i stand til å fargestille frossen H fullt ut₂O.

Fra det forrige eksempelet kan vi trekke en annen konklusjon om betingelsene for diffusjon. I tillegg til aggregattilstanden påvirkes også graden av interpenetrasjon av partikler av temperatur.

For å vurdere avhengigheten av prosessen under vurdering, er det verdt å vite om et slikt konsept som diffusjonskoeffisienten. Dette er den kvantitative egenskapen til sin hastighet.

I de fleste formler er det betegnet et stort latinsk bokstav D, og i SI-systemet måles det i kvadratmeter per sekund (m² / s), noen ganger i centimeter per sekund (cm²/ m).

Diffusjonskoeffisienten er lik mengden av stoffetspredt gjennom en overflateenhet over en tidsenhet, forutsatt at tetthetsforskjellen på begge flater (plassert i en avstand som er lik en lengdeenhet) er lik enhet. Kriteriene som bestemmer D er egenskapene til stoffet der prosessen med dispersjon av partikler finner sted, og deres type.

Avhengigheten av temperaturkoeffisienten kan beskrives ved bruk av Arrhenius-ligningen: D = D_0exp(-E / TR).

I formelen ovenfor er E den minste energien som kreves for å aktivere prosessen; T - temperatur (målt i Kelvin, ikke Celsius); R er en konstant gasskarakteristikk for en ideell gass.

I tillegg til alt ovenfor, for fartdiffusjon i faste stoffer, væsker i gasser påvirkes av trykk og stråling (induktiv eller høyfrekvent). I tillegg avhenger mye av tilstedeværelsen av et katalyserende stoff, ofte virker det som en utløser for starten av aktiv dispersjon av partikler.

Diffusjonsligning

Dette fenomenet er en bestemt type differensialligning med partielle derivater.

Målet hans er å finne et konsentrasjonsforhold.stoffer fra størrelsen og koordinatene til rommet (hvor det diffunderer), så vel som tiden. I dette tilfellet karakteriserer den angitte koeffisient permeabiliteten av mediet for reaksjonen.

Ofte er diffusjonsligningen skrevet som følger: ∂φ (r, t) / ∂t = ∇ x [D (φ, r) ∇ φ (r, t)].

I det er φ (t og r) tettheten av spredningsstoffet ved punkt r på tidspunktet t. D (φ, r) - diffusjon generalisert koeffisient ved tetthet φ ved punktet r.

∇ er en vektor differensial operatør hvis komponenter ved koordinater tilhører delvise derivater.

Når diffusjonskoeffisienten er tetthetsavhengig, er ligningen ikke-lineær. Når ikke - lineær.

Etter å ha vurdert definisjonen av diffusjon og egenskaper i denne prosessen i forskjellige miljøer, kan det bemerkes at det har både positive og negative sider.