Diffusjon i faststoffer, væsker og gasser: definisjon, betingelser

Blant de mange fenomenene i fysikk, prosessendiffusjon refererer til en av de enkleste og mest forståelige. Etter hver morgen, forbereder deg selv en duftende te eller kaffe, har en person muligheten til å observere denne reaksjonen i praksis. La oss lære mer om denne prosessen og dens forhold i ulike aggregerte tilstander.

Hva er diffusjon?

Dette ordet refererer til penetrasjon av molekyler eller atomer av ett stoff mellom lignende strukturelle enheter av en annen. Konsentrasjonen av penetrerende forbindelser utjevnes.

Denne prosessen ble først beskrevet i detalj av den tyske forskeren Adolf Fick i 1855.

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

Diffusjon i væske

Prosessen under behandling kan forekomme med stoffer i alle tre aggregattilstander: gassformig, flytende og fast. For å finne praktiske eksempler på dette, er det bare å se på kjøkkenet.

Borshch på komfyren er en av dem. Under påvirkning av temperaturen på et molekyl av glukosinbetanin (et stoff som beten har en slik mettet skarlagen farge), reagerer den jevnt med vannmolekylene, noe som gir den en unik burgunderskygge. Denne saken er et eksempel på diffusjon i væsker.

I tillegg til borscht, kan denne prosessen ses ikopp te eller kaffe. Begge av disse drikkene er så jevnt mettet fargetone på grunn av det faktum at tebladene eller kaffepartikler, oppløst i vann, fordelt jevnt mellom molekylene, farging det. På samme prinsipp begrepsvaliditet av alle populære instant drikker nittitallet: poncho, inviter, Zuko.

Interaksjon av gasser

Fortsetter å lete etter ytterligere manifestasjoner av prosessen på kjøkkenet, er det verdt å snuse og nyte den behagelige duften som kommer fra en bukett med friske blomster på spisebordet. Hvorfor skjer dette?

Atomer og molekyler som bærer lukten, er i aktiv bevegelse, og som et resultat blir de blandet med partikler som allerede er inneholdt i luften, og sprer seg ganske jevnt i volumet av rommet.

Dette er en manifestasjon av diffusjon av gasser. Det er verdt å merke seg at selve luften inhalering angår også fremgangsmåten ved betraktning, så vel som nylig fremstilt appetittvekkende lukt av Borsch kjøkkenet.

Diffusjon i faststoffer

Kjøkkenbordet der det er blomster, legges med en duk med lyse gule farger. Denne skyggen ble oppnådd på grunn av diffusjonsevnen til å passere gjennom faste stoffer.

Selve prosessen med fremstilling av banen av et enhetlig nyanse av flere trinn som følger.

1. Partiklene i det gule pigmentet diffunderer i fargingsbeholderen mot det fibrøse materialet.
2. Videre ble de absorbert av den ytre overflaten av det fargede vevet.
3. Det neste trinnet var igjen diffusjonen av fargestoffet, men denne gangen er det allerede inni fibrene i lerretet.
4. I slutten fastgjorde vevet pigmentpartiklene, og dermed fargede.

Diffusjon av gasser i metaller

Vanligvis, når du snakker om denne prosessen, bør du vurderesamspill av stoffer i de samme aggregerte tilstandene. For eksempel diffusjon i faste stoffer, faste stoffer. For å bevise dette fenomenet, utføres et eksperiment med to metallplater presset sammen (gull og bly). Interaksjonen av molekylene tar ganske lang tid (en millimeter om fem år). Denne prosessen brukes til å lage uvanlige ornamenter.

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

I løpet av eksperimenter ble det bevist at en slik prosess fortsetter i atomstatus. 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 oppstår i løpet av en kjemisk reaksjon (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 krystaller₄ et 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 punktet 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.