Difuzija v trdnih snoveh, tekočinah in plinih: definicija, pogoji

Med mnogimi pojavami v fiziki je difuzijski proces eden najpreprostejših in najbolj razumljivih. Po vsakem jutru, pripravi dišeči čaj ali kavo, ima oseba možnost, da v praksi opazuje to reakcijo. Več o tem procesu in njegovih pogojih v različnih agregatnih državah.

Kaj je difuzija?

Ta beseda se nanaša na prodor molekul ali atomov ene snovi med podobne strukturne enote druge. Koncentracija penetracijskih spojin se izenači.

Ta proces je prvič podrobno opisal nemški znanstvenik Adolf Fick leta 1855.

Ime tega izraza je izviralo iz latinske verbalne imenice diffusio (interakcije, difuzije, širjenja).

Difuzija v tekočini

Obravnavani proces se lahko pojavlja pri snoveh v vseh treh agregatnih stanjih: plinasto, tekoče in trdno. Če želite poiskati praktične primere, si oglejte samo kuhinjo.

Borshch na štedilniku je eden izmed njih. Pod vplivom temperature molekule glukozin betanina (snov, zaradi katere ima pesa tako nasičeno rdečo barvo), reagira enakomerno z molekulami vode, kar ji daje edinstveno barvasto senco. Ta primer je primer difuzije v tekočinah.

Poleg borscha lahko ta proces vidimo tudi v kozarcu čaja ali kave. Obe pijači sta tako enakomerno nasičena, ker je varjenje ali delci kave, ki se raztopijo v vodi, enakomerno porazdelijo med svoje molekule, ki jih obarvate. Na istem principu je bilo zgrajeno delovanje vseh priljubljenih instant pijač devetdesetih: Yupi, Invite, Zuko.

Medsebojno delovanje plinov

Nadaljevanje iskanja nadaljnjih manifestacij procesa v kuhinji je vredno njuhanja in uživanja prijetnega vonja, ki prihaja iz šopek svežega cvetja na jedilni mizi. Zakaj se to dogaja?

Atomi in molekule, ki nosijo vonj, se aktivno gibljejo in se zato zmešajo z delci, ki so že v zraku, in se enakomerno razporedijo v prostornini prostora.

To je manifestacija difuzije v plinih. Omeniti velja, da se tudi sam vdihavanje zraka nanaša na zadevni postopek, kot tudi apetirni vonj sveže pripravljenega borshta v kuhinji.

Difuzija v trdnih delih

Kuhinjska miza, na kateri so cvetovi, je položena s prtičem svetlo rumene barve. Ta senca je bila pridobljena zaradi difuzijske sposobnosti, da prehaja skozi trdne snovi.

Pravi proces podeljevanja platno je enakomerno senco, ki poteka v več fazah, kot sledi.

1. Delci rumenega pigmenta razpršijo v posodi za barvanje proti vlaknatemu materialu.
2. Nadalje jih absorbira zunanja površina barvanega tkiva.
3. Naslednji korak je bil ponovno difuzija barve, toda že tokrat že znotraj vlaken platna.
4. V končni fazi je tkivo fiksiralo pigmentne delce in s tem barvilo.

Difuzija plinov v kovinah

Običajno, ko govorimo o tem procesu, upoštevamo interakcije snovi v istih agregatnih državah. Na primer, difuzija v trdnih delcih, trdnih delcev. Da bi dokazali ta pojav, se poskus izvede z dvema kovinčnima ploščama, pritisnjenim skupaj (zlato in svinec). Interakcija njihovih molekul traja zelo dolgo (en milimeter v petih letih). Ta postopek se uporablja za izdelavo nenavadnih okraskov.

Vendar pa lahko spojine razpršijo tudi v različnih agregatnih stanjih. Na primer, difuzija plinov v trdnih delih.

V poskusih je bilo dokazano, da tak proces poteka v atomskem stanju. Da ga aktivirate, praviloma potrebujete znatno povečanje temperature in pritiska.

Primer takšne difuzije plinov v trdnih snoveh je korozija vodika. To se kaže v situacijah, kjer se pojavljajo atomi vodika med kemijsko reakcijo (H₂) pod vplivom visokih temperatur (od 200 do 650 stopinj Celzija) prodrejo med strukturne delce kovine.

Poleg vodika lahko pride tudi do razpokanja kisika in drugih plinov v trdnih snoveh. Ta nezanemarljiv proces prinaša veliko škode, saj lahko sesede kovinske strukture.

Difuzija tekočin v kovinah

Vendar pa ne samo molekule plinov lahko prodrejo v trdne snovi, temveč tudi tekočine. Kot pri vodiku, ta proces najpogosteje povzroča korozijo (pri kovinah). Klasičen primer difuzije tekočin v trdnih delih je korozija kovin pod vplivom vode (H₂O) ali raztopine elektrolitov. Za večino je ta postopek bolj znan pod imenom rje. Za razliko od vodikove korozije je v praksi potrebno veliko večkrat trčiti z njim.

Pogoji za pospešek difuzije. Koeficient difuzije

Obravnavali so snovi, v katerih se lahko obravnava obravnavani proces, je vredno spoznati pogoje njegovega pretoka.

Najprej je hitrost difuzije odvisna od stanja agregatnega stanja medsebojno vpletenih snovi. Več gostoto materiala, v kateri pride do reakcije, počasnejša je hitrost.

V zvezi s tem bo difuzija v tekočinah in plinih vedno aktivnejša kot v trdnih snoveh.

Na primer, če kristali KMnO kalijevega permanganata_{4 (}kalijev permanganat₎ vrgli v vodo, v nekaj minutah ji bodo dali lepo rumeno barvo. Vendar, če je posut s kristalom KMnO₄ kos ledu in vse v zamrzovalnik, po nekaj urah kalijev permanganat ne more v celoti zamrzniti zamrznjenega H₂O.

Iz prejšnjega primera lahko sklepamo o pogojih difuzije. Poleg agregatnega stanja na hitrost prepletanja delcev vpliva tudi temperatura.

Za upoštevanje odvisnosti od procesa, ki se obravnava, je treba spoznati tako koncept kot difuzijski koeficient. To je ime kvantitativne značilnosti njegove hitrosti.

V večini formul označuje velika latinska črka D in se v sistemu SI meri v kvadratnih metrih na sekundo (m² / s), včasih v centimetrih na sekundo (cm²/ m).

Koeficient difuzijski je količina snovi, razpršeni na enoto površine, nad časovnih enotah, pod pogojem, da je razlika gostota na obeh površinah (ki se nahaja na razdalji, ki je enaka dolžini enot) enaka ena. Merila, ki določajo D, so lastnosti snovi, v kateri se pojavi proces razprševanja delcev in njihov tip.

Odvisnost koeficienta od temperature je mogoče opisati z uporabo enačbe Arrhenius: D = D_0exp(-E / TR).

V zvezi s formulo E - zahteva aktiviranje protsessa- T minimalno energije - temperature (merjeno v kelvinih, in ne Celzija) - R - plinska konstanta, značilnost idealnega plina.

Poleg vsega navedenega na stopnjo difuzije v trdnih snoveh, tekočinah v plinih vplivata tlak in sevanje (indukcija ali visokofrekvenčna). Poleg tega je veliko odvisno od prisotnosti katalitskega sredstva, pogosto deluje kot sprožilni mehanizem za začetek aktivne disperzije delcev.

Difuzijska enačba

Ta pojav je posebna oblika diferencialne enačbe za delne derivate.

Njen cilj je najti odvisnost koncentracije snovi glede na dimenzije in koordinate prostora (v katerem se difundira), kot tudi čas. Navedeni koeficient označuje prepustnost medija za reakcijo.

Najpogosteje je difuzijska enačba zapisana takole: del-phi- (r, t) / del-t = nabla-x [D (phi-, r) nabla- phi- (r, t)].

V njej phi- (t in r) je gostota razpršene snovi v točki r v času t. D (phi-, r) -diffusion je posplošeni koeficient pri gostoti phi na točki r.

nabla- je vektorski diferencialni operator, katerega komponente se nanašajo na delne derivate glede na koordinate.

Ko je difuzijski koeficient odvisen od gostote, je enačba nelinearna. Kadar ni - linearno.

Ob upoštevanju opredelitve difuzije in značilnosti tega procesa v različnih medijih je mogoče ugotoviti, da ima tako pozitivne kot negativne strani.