Молекулярная диффузия

Диффузия с микроскопической и макроскопической точки зрения. Изначально молекулы растворенных веществ находятся на левой стороне барьера (фиолетовая линия), а на правой - нет. Барьер удаляется, и растворенное вещество диффундирует, заполняя весь контейнер. Вверху: одна молекула движется случайным образом. В центре: при увеличении количества молекул наблюдается четкая тенденция, когда растворенное вещество заполняет контейнер все более и более равномерно. Внизу: с огромным количеством молекул растворенного вещества вся случайность исчезла: растворенное вещество, кажется, плавно и систематически перемещается из областей с высокой концентрацией в области с низкой концентрацией, следуя законам Фика.

Молекулярная диффузия , которую часто называют просто диффузией , - это тепловое движение всех (жидких или газовых) частиц при температурах выше абсолютного нуля . Скорость этого движения зависит от температуры, вязкости жидкости и размера (массы) частиц. Диффузия объясняет чистый поток молекул из области с более высокой концентрацией в область с более низкой концентрацией. Как только концентрации становятся равными, молекулы продолжают двигаться, но, поскольку градиента концентрации нет, процесс молекулярной диффузии прекращается и вместо этого управляется процессом самодиффузии., возникающие из-за случайного движения молекул. Результатом диффузии является постепенное перемешивание материала, при котором молекулы распределяются равномерно. Поскольку молекулы все еще находятся в движении, но равновесие установлено, конечный результат молекулярной диффузии называется «динамическим равновесием». В фазе с однородной температурой и отсутствием внешних результирующих сил, действующих на частицы, процесс диффузии в конечном итоге приведет к полному перемешиванию.

Рассмотрим две системы; S ₁ и S _{2 имеют} одинаковую температуру и способны обмениваться частицами . Если есть изменение потенциальной энергии системы; например, μ ₁ > μ ₂ (μ - химический потенциал ) поток энергии будет происходить от S ₁ к S ₂ , потому что природа всегда предпочитает низкую энергию и максимальную энтропию .

Молекулярная диффузия обычно описывается математически с помощью законов диффузии Фика .

Приложения [ править ]

Диффузия имеет фундаментальное значение во многих дисциплинах физики, химии и биологии. Некоторые примеры применения диффузии:

• Спекание для получения твердых материалов ( порошковая металлургия , производство керамики )
• Конструкция химического реактора
• Разработка катализаторов в химической промышленности
• Сталь может распыляться (например, с углеродом или азотом) для изменения ее свойств.
• Легирование при производстве полупроводников .

Значение [ править ]

Схематическое изображение смешивания двух веществ путем диффузии

Диффузия - это часть явления переноса . Из механизмов массопереноса молекулярная диффузия известна как более медленная.

Биология [ править ]

В клеточной биологии диффузия является основной формой транспорта необходимых материалов, таких как аминокислоты, внутри клеток. ^[1] Диффузия растворителей, таких как вода, через полупроницаемую мембрану классифицируется как осмос .

Метаболизм и дыхание частично зависят от диффузии в дополнение к объемным или активным процессам. Так , например, в альвеолах из млекопитающих легких , из - за различия в парциальных давлениях через альвеолярно-капиллярную мембрану, кислород диффундирует в крови и двуокись углерода диффундирует из. Легкие имеют большую площадь поверхности, что способствует процессу газообмена.

Трейсер, само- и химическая диффузия [ править ]

Принципиально различают два типа диффузии:

• Диффузия индикаторов и самодиффузия , то есть спонтанное смешение молекул, происходящее в отсутствие градиента концентрации (или химического потенциала). Этот тип диффузии можно отслеживать с помощью изотопных индикаторов , отсюда и название. Обычно предполагается, что диффузия индикаторов идентична самодиффузии (при условии отсутствия значительного изотопного эффекта ). Эта диффузия может происходить при равновесии. Отличным методом измерения коэффициентов самодиффузии является ЯМР с градиентом импульсного поля (PFG) , когда не требуются изотопные индикаторы. В так называемом спин-эхо ЯМРВ эксперименте этот метод использует фазу прецессии ядерного спина, позволяя различать химически и физически полностью идентичные частицы, например, в жидкой фазе, например, молекулы воды в жидкой воде. Коэффициент самодиффузии воды был экспериментально определен с высокой точностью и поэтому часто используется в качестве эталонного значения для измерений на других жидкостях. Коэффициент самодиффузии чистой воды составляет: 2,299 · 10 ^-9  м² · с ^-1 при 25 ° C и 1,261 · 10 ^-9  м² · с ^-1 при 4 ° C. ^[2]
• Химическая диффузия происходит в присутствии градиента концентрации (или химического потенциала), что приводит к чистому переносу массы. Это процесс, описываемый уравнением диффузии. Эта диффузия всегда является неравновесным процессом, увеличивает энтропию системы и приближает систему к равновесию.

Коэффициенты диффузии для этих двух типов диффузии, как правило, различаются, поскольку коэффициент диффузии для химической диффузии является бинарным и включает эффекты, обусловленные корреляцией движения различных диффундирующих частиц.

Неравновесная система [ править ]

Поскольку химическая диффузия - это чистый транспортный процесс, система, в которой она происходит, не является равновесной системой (т.е. она еще не находится в состоянии покоя). Многие результаты классической термодинамики нелегко применить к неравновесным системам. Однако иногда возникают так называемые квазистационарные состояния, в которых процесс диффузии не изменяется во времени, и в которых классические результаты могут применяться локально. Как следует из названия, этот процесс не является истинным равновесием, поскольку система все еще развивается.

Неравновесные жидкостные системы можно успешно моделировать с помощью флуктуирующей гидродинамики Ландау-Лифшица. В этой теоретической схеме диффузия обусловлена ​​флуктуациями, размеры которых варьируются от молекулярного до макроскопического масштаба. ^[3]

Химическая диффузия увеличивает энтропию системы, т.е. диффузия - это спонтанный и необратимый процесс. Частицы могут распространяться посредством диффузии, но не будут самопроизвольно переупорядочивать себя (при отсутствии изменений в системе, при условии отсутствия новых химических связей и при отсутствии внешних сил, действующих на частицу).

Зависимая от концентрации "коллективная" диффузия [ править ]

Коллективная диффузия - это диффузия большого количества частиц, чаще всего в растворителе .

В отличие от броуновского движения , которое представляет собой диффузию отдельной частицы, взаимодействия между частицами, возможно, придется учитывать, если только частицы не образуют идеальную смесь со своим растворителем (условия идеальной смеси соответствуют случаю, когда взаимодействия между растворителем и частицами идентичны взаимодействиям между частицами и взаимодействиям между молекулами растворителя; в этом случае частицы не взаимодействуют внутри растворителя).

В случае идеальной смеси уравнение диффузии частиц справедливо, а коэффициент диффузии D скорость диффузии в уравнении диффузии частиц не зависит от концентрации частиц. В других случаях возникающие в результате взаимодействия между частицами в растворителе будут учитывать следующие эффекты:

• коэффициент диффузии D в уравнении диффузии частиц становится зависимым от концентрации. Для притягивающего взаимодействия между частицами коэффициент диффузии имеет тенденцию уменьшаться с увеличением концентрации. Для отталкивающего взаимодействия между частицами коэффициент диффузии имеет тенденцию увеличиваться с увеличением концентрации.
• В случае притягивающего взаимодействия между частицами частицы проявляют тенденцию к слиянию и образованию кластеров, если их концентрация превышает определенный порог. Это эквивалентно химической реакции осаждения (и если рассматриваемые диффундирующие частицы представляют собой химические молекулы в растворе, то это осаждение ).

Молекулярная диффузия газов [ править ]

Транспортировка материала в застойной жидкости или через линии тока жидкости в ламинарном потоке происходит за счет молекулярной диффузии. Могут быть предусмотрены два смежных отделения, разделенных перегородкой, содержащих чистые газы A или B. Произойдет случайное движение всех молекул, так что по прошествии определенного периода молекулы оказываются удаленными от своих исходных положений. Если перегородка удалена, некоторые молекулы A движутся в сторону области, занятой B, их количество зависит от количества молекул в рассматриваемой области. Одновременно молекулы B диффундируют к режимам, ранее использовавшимся чистым A. Наконец, происходит полное перемешивание. До этого момента происходит постепенное изменение концентрации A вдоль оси, обозначенной x, которая соединяет исходные отсеки. Эта вариация, математически выражаемая как -dC _A/ dx, где C _A - это концентрация A. Отрицательный знак возникает, потому что концентрация A уменьшается с увеличением расстояния x. Точно так же изменение концентрации газа B составляет -dC _B / dx. Скорость диффузии A, N _A , зависит от градиента концентрации и средней скорости, с которой молекулы A движутся в направлении x. Эта связь выражается законом Фика.

${\displaystyle N_{A}=-D_{AB}{\frac {dC_{A}}{dx}}}$ (применимо только при отсутствии объемного движения)

где D - коэффициент диффузии от A до B, пропорциональный средней молекулярной скорости и, следовательно, зависящий от температуры и давления газов. Скорость диффузии N _A обычно выражается как количество молей, диффундирующих через единицу площади за единицу времени. Как и в случае с основным уравнением теплопередачи, это указывает на то, что величина силы прямо пропорциональна движущей силе, которая является градиентом концентрации.

Это основное уравнение применимо к ряду ситуаций. Ограничивая обсуждение исключительно стационарными условиями, в которых ни dC _A / dx, ни dC _B / dx не изменяются со временем, сначала рассматривается эквимолекулярная контрдиффузия.

Эквимолекулярная контрдиффузия [ править ]

Если объемный поток не возникает в элементе длиной dx, скорости диффузии двух идеальных газов (с одинаковым молярным объемом) A и B должны быть равными и противоположными, то есть .${\displaystyle N_{A}=-N_{B}}$

Парциальное давление A изменяется на dP _A на расстоянии dx. Аналогичным образом , парциальное давление B изменяется дР _B . Поскольку нет никакой разницы в общем давлении через элемент (нет объемного потока), мы имеем

${\displaystyle {\frac {dP_{A}}{dx}}=-{\frac {dP_{B}}{dx}}}$.

Для идеального газа парциальное давление связано с молярной концентрацией соотношением

${\displaystyle P_{A}V=n_{A}RT}$

где п есть число молей газа А в объеме V . Поскольку молярная концентрация C _A равна n _A / V, следовательно,

${\displaystyle P_{A}=C_{A}RT}$

Следовательно, для газа A

${\displaystyle N_{A}=-D_{AB}{\frac {1}{RT}}{\frac {dP_{A}}{dx}}}$

где D _AB - коэффициент диффузии A в B. Аналогично,

${\displaystyle N_{B}=-D_{BA}{\frac {1}{RT}}{\frac {dP_{B}}{dx}}=D_{AB}{\frac {1}{RT}}{\frac {dP_{A}}{dx}}}$

Учитывая, что dP _A / dx = -dP _B / dx, это доказывает, что D _AB = D _BA = D. Если парциальное давление A в точке x ₁ равно P _{A 1,} а x ₂ равно P _{A 2} , интегрирование приведенного выше уравнения,

${\displaystyle N_{A}=-{\frac {D}{RT}}{\frac {(P_{A2}-P_{A1})}{x_{2}-x_{1}}}}$

Аналогичное уравнение можно вывести для встречной диффузии газа B.

См. Также [ править ]

Ссылки [ править ]

Внешние ссылки [ править ]

Посмотрите диффузию в Wiktionary, бесплатный словарь.

• Некоторые изображения, отображающие диффузию и осмос
• Анимация, описывающая диффузию.
• Учебное пособие по теории и решению уравнения диффузии.
• Имитационная модель NetLogo для образовательного использования (Java-апплет)
• Короткометражный фильм о броуновском движении (включает расчет коэффициента диффузии)
• Базовое введение в классическую теорию объемной диффузии (с фигурами и анимацией)
• Распространение в наномасштабе (с фигурами и анимацией)