Чтобы понять, от чего зависит диффузия, рассмотрим факторы, которые на нее влияют.

Диффузия зависит от температуры . Скорость диффузии будет увеличиваться с увеличением температуры, потому что при повышении температуры будет увеличиваться скорость движения молекул, то есть молекулы будут быстрее перемешиваться. (Вы все знаете, что в холодной воде сахар расстворяется очень долго)

А при добавлении внешнего воздействия (человек размешивает сахар в воде) диффузия будет протекать быстрее. Агрегатное состояние вещества тоже будет влиять на то, от чего зависит диффузия, а именно на скорость диффузии. Тепловая диффузия зависит от вида молекул. Например, если предмет металлический, то тепловая диффузия протекает быстрее, в отличие от того, если бы этот предмет был сделан из синтетического материала. Очень медленно протекает диффузия между твердыми материалами.

Итак скорость диффузии зависит от: температуры, концентрации, внешних воздействий, агрегатного состояния вещества

Диффузия имеет огромное значение в природе и в жизни человека.

Примеры диффузии

Чтобы лучше разобраться, что такое диффузия, рассмотрим ее на примерах.Давайте вместе приведем примеры процесса диффузии в газах. Варианты проявления этого явления могут быть таковыми:

Распространение запаха цветов;

Распространение запаха курочки гриль, которая так нравится щенку Антошке;

Слезы из-за нарезания лука;

Шлейф духов, который можно почувствовать в воздухе.

Промежутки между частицами в воздухе довольно большие, частицы двигаются хаотично, поэтому диффузия газообразных веществ происходит достаточно быстро.

Простой и доступный каждому пример диффузия твердых тел – это взять два куска разноцветного пластилина и разминая их в руках, наблюдать, как смешиваются цвета. А, соответственно, без внешнего воздействия, если просто прижать два куска друг к другу, потребуются месяцы или даже годы, чтобы два цвета хоть немного перемешались, так сказать, проникли один в одного.

Варианты проявления диффузия в жидкостях могут быть таковыми:

Растворение капли чернил в воде;

- "Белье полиняло" окрас мокрых тканей;

Соление овощей и варка варенья

Итак, диффузией является перемешивание молекул вещества при их беспорядочном тепловом движении .

" статьёй . И поговорим про эту проблему систем обратного осмоса, особенно характерную для фильтров, описанных в статье "Аппарат обратного осмоса ".

Проблема: диффузионные загрязнения воды. Соответственно, предполагается, что с ней нужно как-то бороться. Ну а для того, чтобы знать, с чем бороться, нужно разобраться с физическим механизмом процесса. Ничего сложного — простые школьные знания.

Что такое диффузия? Наверное, многие помнят по школе об опыте, когда учитель выливал где-то в одном месте класса нечто пахучее, а потом запах распространялся по всей комнате. Или чернила в воду, а они потом расплываются на всю ёмкость. Это и есть примеры диффузии, или постепенного перехода одного вещества в другое. Даже между металлами есть подобные взаимодействия, правда очень медленные и не относящиеся к делу.

Что будет, если взять чистую воду, и подлить обычной грязной воды? Всё случится очень закономерно — загрязнения равномерно распределятся по всей ёмкости. Похожая ситуация возникает с многоступенчатыми бытовыми системами обратного осмоса.

Похожая, но не точно такая же. Разница состоит в том, что грязную воду и чистую воду разделяет полупроницаемая перегородка, мембрана. И в идеале, то есть, теоретически, через этот барьер-мембрану может пройти исключительно вода. Но — только в идеале.

На самом деле поры в мембране не одинаковые по размеру. В среднем — они действительно пропускают только молекулы воды. Однако всегда существует разброс. Насколько велик разброс — это уже дело технологии изготовления мембран. Естественно, чем лучше мембрана, тем меньше этот разброс. Но разброс есть всегда.

Что практически означает наличие этого разброса? Это означает, что качество очистки воды всегда будет ниже 100 %. Если бы разброса не было, то всё кроме воды и соразмерных частиц удалялось бы полностью. Однако разброс есть. И степень очисти для технологии обратного осмоса колеблется в пределах 90-99,999 %. Для бытовой многоступенчатой гиперфильтрации типа "капельница" стандартным и типичным является степень очистки 90-95 %.

Очень редко для бытовых капельниц степень очистки достигает 99 %.

Итак, есть мембрана с разбросом пор, есть по одну сторону загрязнённая вода, по другую — очищенная вода. В рабочем состоянии, когда вода двигается ВДОЛЬ мембраны (потому что так мембрана меньше забивается), у примесей воды нет «времени» на то, чтобы пролезть через точно такие же по размеру, чем они сами, поры. Это связано с особенностями взаимодействия поверхности мембраны и текущей водой.

НО! Когда вода не двигается вдоль мембраны, загрязнения получают вполне реальную возможность проникать через эти соответствующие им по размерам поры на сторону чистой воды. А вода с чистой стороны, соответственно, стремится попасть на ту сторону, где большее количество загрязнений. Чтобы был выполнен закон диффузии — равномерное распределение вещества в веществе. То, что вода переходит с «чистой» стороны мембраны на «грязную», не страшно. Намного опаснее другой процесс, диффузионное загрязнение воды на «чистой» стороне.

Диффузионное загрязнение происходит на всех типах обратноосмотических установок, но опасно только на бытовых многоступенчатых осмосах. Почему? Потому что в них нет возможности сбросить диффузионные загрязнения. И они попадают прямиком в бак с питьевой водой. А оттуда — в стакан.

То есть, степень очистки воды уменьшается ещё больше.

Разберём это подробнее. Для этого вернёмся к схеме бытовой многоступенчатой системы обратного осмоса (озвученной более подробно в статье "Аппарат обратного осмоса "), а точнее, с направлениями и типами потоков воды. Они на схеме обозначены буквами.

А — исходная, загрязнённая вода. Она проходит по трём ступеням очистки воды, а далее попадает на мембрану обратного осмоса. На мембране вода фильтруется, концентрат (загрязнённая вода) попадает в канализацию (поток С), а очищенная вода (поток В) с небольшой скоростью накапливается в баке.

Вот здесь и собака зарыта. Диффузионные загрязнения в подобных системах гиперфильтрации невозможно слить или убрать. Они попадают в накопительный бак. А оттуда — потребителю в чашку.

Содержание солей в очищенной воде в баке возрастает очень ненамного. Основную опасность представляют собой бактерии. По идее, бактерии вообще не могут проникнуть через мембрану обратного осмоса. Это так — но во время движения воды. Когда вода стоит, бактерии, особенно узкие, могут «протиснуться» между волокнами мембраны. Это положение усугубляется тем, что бактерии с удовольствием поселяются на поверхности мембраны и образуют там свои колонии. При больших давлениях и скоростях потоков воды, как в промышленных системах гиперфильтрации, им это не удаётся. Но в обычных бытовых капельницах — да с радостью. Тем более что вода туда поступает уже не хлорированная.

Таким образом, появляется вероятность (естественно, не 100 %), что в накопительном баке бытовой обратноосмотической системы находятся диффузионные загрязнения, в особенности бактерии и продукты их жизнедеятельности.

Вышесказанное подтверждает последняя ступень очистки воды. Её назначение — дополнительное обеззараживание воды (с помощью угля с серебром и/или ультрафиолетовой лампы). Поток воды D из бака поступает на ступень дезинфекции, а оттуда уже очищенный от бактерий поток Е подаётся на кран чистой воды. Так контролируется вторичное бактериальное загрязнение очищенной воды в бытовых многоступенчатых системах обратного осмоса.

Нужно добавить, что эффективность очистки воды многоступенчатыми осмосами очень невысока. Эффективность очистки воды — это не то же самое, что глубина очистки воды. Эффективность — это, иными словами, коэффициент полезного действия, КПД системы. То есть, соотношение концентрата (воды, которая сбрасывается в канализацию), очищенной воды и исходной воды.

Так, в процессе работы бытовой многоступенчатой осмотической системы в канализацию сбрасывается 80-85 % от входящей воды (что сильно зависит от наполенности бака; при пустом баке эффективность выше, при полном — ниже). То есть, если в день вы используете 20 литров очищенной воды, то при этом сбрасываете в канализацию 80 литров воды.

Вот такая вот проблема есть у обратного осмоса — диффузионные загрязнения воды.

Но с этим можно справиться! По крайней мере, с помощью изменения организации самой системы. Об этом — подробнее в следующих статьях.

По материалам http://voda.blox.ua/2008/08/Kak-vybrat-filtr-dlya-vody-28.html

На рис. 2 представлены основные разновидности диффузии веществ через мембрану.

Диффузия – самопроизвольное перемещение вещества из мест с большей их концентрацией в места с меньшей концентрацией вещества вследствие хаотического теплового движения частиц . Диффузия вещества через липидный бислой вызывается градиентом концентрации в мембране. Плотность потока вещества по закону Фика:

Где С М 1 – концентрация вещества в мембране около одной ее поверхности и С М 2 – около другой, l – толщина мембраны.

Так как измерить концентрации С М 1 и С М 2 труд­но, на практике пользуются формулой, связывающей плотность потока вещества через мембрану с концентрациями этого вещества не внутри мембраны, а снаружи в растворах около поверхностей мембраны – С 1 и С 2:

(3)

где Р – коэффициент проницаемости.

К – коэффициент распределения – показывает, ка­кую часть концентрации у поверхности вне мембраны составляет концентрация у поверхности мемб­раны, но внутри ее.

Подставив (4) в (2), получим:

(5)

Из уравнений (3) и (5) видно, что коэффициент проницаемости:

Этот коэффициент удобен, поскольку имеет размерность линейной скорости (в м/с) и может быть определен по результатам измерения мембранных потенциалов.

Коэффициент проницаемости , как видно из формулы, тем больше, чем больше коэффициент диффузии D, чем тоньше мембрана и чем лучше вещество растворяется в липидной фазе мембраны (чем больше К).

Хорошо растворимы в липидной фазе мембраны неполярные вещества , например: органические и жирные кислоты, эфиры. В то же время плохо проходят через липидный бислой мембраны полярные вещества : вода, неорганические соли, сахара, аминокислоты. Электролиты , слабо растворимые в липидах, не образуют с водой водородных связей, но они обладают водной оболочкой, образующейся в результате электростатических взаимодействий. Размер оболочки прямо пропорционален плотности заряда электролита. Электролиты с большей плотностью заряда обладают большей гидратной оболочкой и, таким образом, меньшей скоростью диффузии. Ионы Na + , например, характеризуются большей плотностью заряда, чем ионы К + . Следовательно, гидратированный Na + имеет больший размер, чем К + , и его скорость пассивной диффузии ниже. Перенос воды происходит через наполненные водой белковые и липидные поры. Однако в последнее время помимо гидрофильных пор проникновение через мембрану мелких полярных молекул связывают с образованием между жирнокислотными хвостами фосфолипидных молекул при их тепловом движении небольших свободных полостей – кинков (от англ. kink – петля). Вследствие теплового движения хвостов молекул фосфолипидов кинки могут переме­щаться поперек мембраны и переносить попавшие в них мелкие молекулы, в первую очередь молекулы воды.

Долгое время считалось, что для диффузии воды через клеточные мембраны достаточно ее естественной проницаемости через липидную часть мембран за счет движения кинков. В 1988 г. В лаборатории П. Агре (лауреата Нобелевской премии по химии за 2003 год) были описаны аквапорины – новый класс белков, которые высокоэффективно пропускают молекулы воды, будучи абсолютно непроницаемы не для каких ионов, включая протоны.

В отличие от ионных каналов, аквапорины осуществляют избирательное пропускание воды через мембраны клеток. Аквапорины имеют молекулярную массу ~ 30 кДа и находятся в мембране в виде тетрамеров (рис. 3). Они встречаются в клетках всех живых организмов и играют особенно важную роль в физиологии почек (у человека через них проходит до 170 л воды в сутки). Нарушения работы аквапоринов (например, в случае генетических дефектов этих белков) приводят к тяжелым патологиям.

Рентгеноструктурный анализ аквапорина показал, что его структура сильно отличается от структуры калиевого канала. В мембране формируется очень узкое отверстие , в центре которого имеются два положительных заряда , расположенных на двух симметричных петлях с характерной последовательностью -N-P-A. Прохождение большинства катионов и анионов через данный канал невозможно из-за его малого размера, а протоны не проходят через него из-за наличия положительного заряда.

Через гидрофильные липидные и белковые поры сквозь мембрану проникают молекулы нерастворимых в липидах веществ и водорастворимые гидратированные ионы, окруженные молекулами воды. Для жиронерастворимых веществ и ионов мембрана выступает как молекулярное сито: чем больше размер частицы, тем меньше проницае­мость мембраны для этого вещества. Избирательность переноса обеспечивается набором в мембране пор определенного радиуса, соответствующих размеру проникающей частицы.

Некоторые микроорганизмы синтезируют малые органические молекулы – ионофоры, которые осуществляют челночные перемещения ионов через мембраны. Эти ионофоры содержат гидрофильные центры, которые связывают определенные ионы. По периферии центры окружены гидрофобными областями, что позволяет молекуле легко растворяться в мембране и диффундировать через нее. Существуют и другие ионофоры, подобные хорошо изученному полипептиду грамицидину, которые образуют каналы. Некоторые микробные токсины (например, дифтерийный токсин) и компоненты активированного сывороточного комплемента способны образовывать крупные поры в клеточных мембранах, через которые могут проходить макромолекулы.

Суммируя сказанное, можно сказать, что диффузия веществ определяется следующими факторами :

1) трансмембранным концентрационным градиентом веществ. Растворенные вещества перемещаются в сторону понижения концентрации;

2) трансмембранной разностью электрических потенциалов . Растворенные вещества движутся в сторону раствора с противоположным зарядом;

3) коэффициентом проницаемости мембраны для данного вещества;

4) градиентом гидростатического давления на мембране. При повышении давления будет увеличиваться скорость столкновений молекул и мембраны;

5) температурой . Чем выше температура, тем больше скорость частиц и, следовательно, частота столкновений между частицами и мембраной.

Начнем с того, что жидкость является промежуточным агрегатным состоянием. При критической точке кипения она схожа с газами, а при низких температурах проявляются характеристики, аналогичные твердому телу. У жидкости нет идеальной модели, что существенно усложняет описание ее равновесных термодинамических свойств, температуры замерзания, вязкости, диффузии, теплопроводности, поверхностного натяжения, энтропии, энтальпии.

Определение

Что такое диффузия? Это растекание, распространение, передвижение частиц среды, которое приводит к переносу вещества, установлению равновесных концентраций. При отсутствии внешних воздействий данный процесс определяется тепловым движением частичек. В этом случае процесс диффузии связан с концентрацией прямо пропорциональной зависимостью. Диффузионный поток будет меняться аналогично

Разновидности

Если диффузия в жидкости протекает при изменении температур, ее называют термодиффузией, в электрическом поле - электродиффузией.

Процесс движения частиц больших размеров в жидкости либо газе происходит под законам броуновского движения.

Особенности протекания

Диффузия в газах, жидкостях и твердых телах протекает с разной скоростью. Из-за отличий в характере теплового движения частиц в различных средах, максимальную скорость процесс имеет в газах, а минимальный показатель - в твердых телах.

Траекторией движения частицы является ломаная линия, поскольку периодически меняется направление и скорость. Из-за неупорядоченности движения наблюдается постепенное удаление частицы от первоначального положения. Смещение ее по прямой линии значительно короче того пути, который совершается по ломаной траектории.

Закон Фика

Диффузия в жидкости подчиняется двум законам Фика:

• плотность диффузионного потока прямо пропорциональна концентрации с коэффициентом диффузии;
• скорость изменения плотности потока диффузии прямо пропорциональна скорости изменения концентрации и имеет обратное направление.

Диффузия в жидкости характеризуется скачками молекул из одного равновесного положения в другое. Каждый такой скачок наблюдается в случае сообщения энергии молекуле в объеме, достаточном для разрыва связи с другими частицами. скачка не превышает расстояния между молекулами.

Рассуждая над тем, что такое диффузия в жидкости, отметим, что процесс зависит от температуры. При ее повышении происходит «разрыхление» структуры жидкости, в результате чего наблюдается резкое увеличение количества перескоков за единицу времени.

Диффузия в газах, жидкостях и твердых телах имеет некоторые отличительные характеристики. Например, в твердых телах механизм связан с перемещением атомов внутри кристаллической решетки.

Особенности явления

Диффузия в жидкости представляет практический интерес благодаря тому, что он сопровождается выравниванием концентрации вещества в изначально неоднородной среде. С участков, имеющих большую концентрацию, частиц уходит значительно больше.

Эксперименты

Опыты с жидкостями показали, что диффузия имеет особое значение в химической кинетике. Во время протекания на поверхности реагирующих веществ или катализатора данный процесс способствует определению скорости отвода продуктов реакции и добавлению исходных реагентов.

Чем объясняется диффузия в жидкостях? Молекулы растворителя способны проникать через полупрозрачные мембраны, в результате чего возникает осмотическое давление. Это явление нашло применение в химических и физических методах разделения веществ.

Биологические системы

В этом случае модели диффузии можно рассматривать на примере поступления в легкие кислорода воздуха, всасывания из кишечника в кровь продуктов пищеварения, поглощения корневыми волосками минеральных элементов. Диффузия ионов происходит во время генерирования мышечными и нервными клетками биоэлектрических импульсов.

Физическим фактором, который влияет на избирательность накопления в клетках организма определенных элементов, является разная скорость проникновения ионов через мембраны клеток. Этот процесс можно выразить законом Фика, заменив величину коэффициента диффузии показателем проницаемости мембраны, а вместо градиента концентрации использовать разность значений с обеих сторон мембраны. При диффузионном проникновении воды и газов в клетку меняются осмотические показатели давления вне и внутри клетки.

Анализируя, от чего зависит диффузия, отметим, что выделяют несколько видов этого процесса. Простая форма связана со свободным переносом ионов и молекул в сторону градиента их электрохимического потенциала. Например, подобный вариант подходит для тех веществ, у которых молекулы имеют незначительные размеры, например, метиловый спирт, вода.

Ограниченный вариант предполагает слабый перенос вещества. Например, в клетку не способны проникать даже небольшие по размерам частицы.

Страницы истории

Диффузия была открыта во время расцвета древнегреческой культуры. Демокрит и Анаксогор были убеждены в том, что любое вещество состоит из атомов. Разнообразие веществ, распространенных в природе, они объясняли соединениями между собой отдельных атомов. Они допускали, что эти частицы могут смешиваться, образуя новые вещества. Среди основателей молекулярно-кинетической теории, которая объяснила механизм протекания диффузии, особую роль сыграл Михаил Ломоносов. Им было дано определение молекуле, атому, объяснен механизм растворения.

Эксперименты

Опыт с сахаром позволяет понять все особенности диффузии. Если в холодный чай положить кусок сахара, постепенно на дне чашки образуется густой сироп. Он виден невооруженным глазом. Через некоторое время сироп равномерно распределится по всему объему жидкости и перестанет быть виден. Данный процесс протекает самопроизвольно и не предполагает перемешивания компонентов раствора. Аналогично происходит распространение по всему объему комнаты аромата духов.

Приведенные опыты свидетельствуют о том, что диффузия является самопроизвольным процессом проникновения молекул одного вещества в другое. Распространение вещества происходит во все стороны, несмотря на наличие силы тяжести. Подобный процесс является прямым подтверждением постоянного движения молекул вещества.

Так, в приведенном выше примере, осуществляется диффузия молекул сахара и воды, которая сопровождается равномерным распределением молекул органического вещества по всему объему жидкости.

Эксперименты позволяют обнаруживать диффузию не только в жидкостях, но и в газообразных веществах. Например, можно установить на весах емкость с парами эфира. Постепенно чашки придут в равновесие, затем стакан с эфиром окажется тяжелее. В чем причина подобного явления?

С течением времени молекулы эфира смешиваются с частицами воздуха, и в комнате начинает ощущаться специфический запах. В курсе физики средней школы рассматривается эксперимент, в котором учитель растворяет крупинку в воде. Сначала видна четкая траектория движения крупинки, но постепенно весь раствор приобретает равномерный оттенок. На основе проведенного эксперимента педагог объясняет особенности диффузии.

Чтобы выявить факторы, которые влияют на скорость протекания процесса в жидкостях, можно воспользоваться водой разной температуры. В горячей жидкости процесс взаимного перемешивания молекул наблюдается гораздо быстрее, следовательно, существуют прямая зависимость между значением температуры и скоростью протекания диффузии.

Заключение

Опыты, проводимые с газами, жидкостями и позволяют сформулировать законы физики, установить зависимость между отдельными величинами.

Именно в результате экспериментов был установлен механизм взаимного проникновения частиц одного вещества в другое, доказана хаотичность их движения. Опытным путем было выявлено, что быстрее всего происходит диффузия в газообразных веществах. Данный процесс имеет огромное значение для живой природы, используется в науке и технике.

Благодаря этому явлению поддерживается однородный состав земной атмосферы. В противном случае наблюдалось бы расслоение тропосферы на отдельные газообразные вещества, и тяжелый углекислый газ, непригодный для дыхания, находился бы ближе всего к поверхности нашей планеты. К чему бы это привело? Живая природа просто перестала бы существовать.

Велика роль диффузии и в растительном мире. Пышную крону деревьев можно объяснить диффузионным обменом через поверхность листьев. В результате осуществляется не только дыхание, но и питание дерева. В настоящее время в сельском хозяйстве применяется внекорневая подкормка кустарников и деревьев, предполагающая опрыскивание кроны специальными химическими составами.

Именно при диффузии растение из почвы получает питательные вещества. Физиологические процессы, протекающие в живых организмах, также связаны с данным явлением. Например, солевой баланс невозможен без диффузии. Огромное значение подобные процессы играют в снабжении озер и рек кислородом. Газ попадает в глубь водоема именно путем диффузии. Если бы такой процесс отсутствовал, жизнь внутри водоема перестала бы существовать.

Прием лекарственных препаратов, позволяющих человеку защищать себя от возбудителей разных заболеваний и улучшать самочувствие, также основывается на диффузии. Это явление применяется при сварке металлов, получении сахарного сока их свекловичной стружки, приготовлении кондитерских изделий. Сложно найти такую отрасль современной промышленности, где бы не применялась диффузия.

Введение

Мы рассматривали лишь свойства газов и твердых тел и не обсуждали свойства жидкостей. Жидкое состояние значительно труднее поддается теоретической трактовке по сравнению с газовым и твердым. Это определяется тем, что состояния (твердое и газовое) являются предельными для всякого вещества при достаточно низких (или высоких) температурах и достаточно высоких (или низких) давлениях.

Жидкое состояние является промежуточным по своей природе. Естественно, что около критической точки жидкость близка по свойствам к газу, а при температуре, близкой к температуре плавления, - к твердому телу.

Это обстоятельство приводит к отсутствию "идеальной модели" жидкости. Для газа таковой является идеальный газ, для твердого тела - идеальный кристалл. И теории реальных газов, и теория твердых тел строятся как описание отклонений от идеальных состояний. Отсутствие идеальной модели жидкости приводит к трудности формулировки общей теории жидкости.

Такая теория должна объяснить равновесные термодинамические свойства жидкости, ее энтальпию, энтропию, уравнение состояния, температуру замерзания, поверхностное натяжение и т.п. Далее теория должна описать явления переноса - вязкость, диффузию, теплопроводность. Наконец, такая теория должна охватить явления рассеяния жидкостями различных излучений и прежде всего рентгеновского. В последние годы теория жидкостей достигла ряда серьезных успехов.

Вынужденное внутреннее движение в жидкости.

Если на жидкость в течение времени t >> ?ср действует внешняя сила, то частицы жидкости смещаются главным образом в направлении этой силы. В этом проявляется текучесть жидкости.

Если время t действия внешней силы много меньше среднего времени релаксации (t << ?ср), то за время действия силы частицы не успевают изменить свои положения равновесия и жидкость проявляет упругие свойства, сопротивляясь изменению объема и формы.

При определенных условиях в жидкостях происходят явления переноса: диффузия, теплопроводность и внутреннее трение. Отличия явлений переноса в жидкостях от аналогичных явлений в газах проявляются в величинах коэффициентов переноса.

Диффузия

ДИФФУЗИЯ (от латинского diffusio - распространение, растекание, рассеивание), движение частиц среды, приводящее к переносу вещества и выравниванию концентраций или установлению их равновесного распределения. Обычно диффузия определяется тепловым движением частиц. В отсутствие внешних воздействий диффузионный поток пропорционален градиенту концентраций; коэффициент пропорциональности называется коэффициентом диффузии. Процесс диффузии может происходить под воздействием разности температур (термодиффузия), электрического поля (электродиффузия), в турбулентном потоке (турбулентная диффузия) и т.д.).

Диффузия крупных частиц, взвешенных в газе или жидкости (например, частиц дыма или суспензии), осуществляется благодаря их броуновскому движению. В дальнейшем, если специально не оговорено, имеется в виду молекулярная диффузия.

Наиболее быстро диффузия происходит в газах, медленнее в жидкостях, ещё медленнее в твёрдых телах, что обусловлено характером теплового движения частиц в этих средах. Траектория движения каждой частицы газа представляет собой ломаную линию, т.к. при столкновениях частицы меняют направление и скорость своего движения. Неупорядоченность движения приводит к тому, что каждая частица постепенно удаляется от места, где она находилась, причём её смещение по прямой гораздо меньше пути, пройденного по ломаной линии. Поэтому диффузионное проникновение значительно медленнее свободного движения (скорость диффузионного распространения запахов, например, много меньше скорости молекул).

Для явления диффузии в жидкости справедлив закон Фика. Он гласит:

где I - диффузионный поток в направлении оси X, D - коэффициент диффузии, а - градиент концентрации по оси X.

Обозначим время между скачками молекул через t, тогда величина - скорости молекулы. Это дает возможность сравнить со средней длинной свободного пробега, а - со средней скоростью молекул. Тогда по аналогии с идеальными газами коэффициент диффузии (точнее самодиффузии) жидкости равен:

Коэффициент самодиффузии сильно зависит от температуры, т.е. с повышением температуры он увеличивается.

Выражение коэффициента диффузии можно переписать в виде

где, причем n - частота вышеописанных колебаний, а w - энергия, необходимая для скачка молекулы, называемая энергией активации молекулы.

Численное значение коэффициента диффузии у жидкостей много меньше чем у газов. Например коэффициент диффузии NaCl в воде равен 1,1·10-9 м2/с, в то время как для диффузии аргона в гелий он равен 7·10-5 м2/с.

В жидкостях, в соответствии с характером теплового движения молекул, диффузия осуществляется перескоками молекул из одного временного положения равновесия в другое. Каждый скачок происходит при сообщении молекуле энергии, достаточной для разрыва её связей с соседними молекулами и перехода в окружение др. молекул (в новое энергетически выгодное положение). В среднем скачок не превышает межмолекулярного расстояния. Диффузионное движение частиц в жидкости можно рассматривать как движение с трением, к нему применимо второе соотношение Эйнштейна: D ~ ukT. Здесь k -- Больцмана постоянная, u -- подвижность диффундирующих частиц, т.е. коэффициент пропорциональности между скоростью частицы с и движущей силой F при стационарном движении с трением (с = uF). Если частицы сферически симметричны, то u = 1 / 6 phr, где h -- коэффициент вязкости жидкости, r -- радиус частицы (см. Стокса закон).

Коэффициент диффузии в жидкости увеличивается с температурой, что обусловлено «разрыхлением» структуры жидкости при нагреве и соответствующим увеличением числа перескоков в единицу времени.

В твёрдом теле могут действовать несколько механизмов диффузии: обмен местами атомов с вакансиями (незанятыми узлами кристаллической решётки), перемещение атомов по междоузлиям, одновременное циклическое перемещение нескольких атомов, прямой обмен местами двух соседних атомов и т.д. Первый механизм преобладает, например, при образовании твёрдых растворов замещения, второй -- твёрдых растворов внедрения.

Коэффициент диффузии в твёрдых телах крайне чувствителен к дефектам кристаллической решётки, возникшим при нагреве, напряжениях, деформациях и др. воздействиях. Увеличение числа дефектов (главном образом вакансий) облегчает перемещение атомов в твёрдом теле и приводит к росту коэффициента диффузии. Для коэффициента диффузии в твёрдых телах характерна резкая (экспоненциальная) зависимость от температуры. Так, коэффициент диффузии цинка в медь при повышении температуры от 20 до 300°С возрастает в 10 14 раз.

Значение коэффициента диффузии (при атмосферном давлении)

Для большинства научных и практических задач существенно не диффузионное движение отдельных частиц, а происходящее от него выравнивание концентрации вещества в первоначально неоднородной среде. Из мест с высокой концентрацией уходит больше частиц, чем из мест с низкой концентрацией. Через единичную площадку в неоднородной среде проходит за единицу времени безвозвратный поток вещества в сторону меньшей концентрации -- диффузионный поток j. Он равен разности между числами частиц, пересекающих площадку в том и др. направлениях, и потому пропорционален градиенту концентрации СС (уменьшению концентрации С на единицу длины). Эта зависимость выражается законом Фика (1855):

Единицами потока j в Международной системе единиц являются 1/м 2 ·сек или кг/м 2 ·сек, градиента концентрации -- 1/м 4 или кг/м 4 , откуда единицей коэффициента Диффузия является м 2 /сек. Математически закон Фика аналогичен уравнению теплопроводности Фурье. В основе этих явлений лежит единый механизм молекулярного переноса: в 1-м случае переноса массы, во 2-м -- энергии.

Диффузия возникает не только при наличии в среде градиента концентрации (или химического потенциала). Под действием внешнего электрического поля происходит диффузия заряженных частиц (электродиффузия), действие поля тяжести или давления вызывает бародиффузию, в неравномерно нагретой среде возникает термодиффузия.

Все экспериментальные методы определения коэффициента диффузии содержат два основных момента: приведение в контакт диффундирующих веществ и анализ состава веществ, изменённого диффузией состав (концентрацию продиффундировавшего вещества) определяют химически, оптически (по изменению показателя преломления или поглощения света), масс-спектроскопически, методом меченых атомов и др.

Диффузия играет важную роль в химической кинетике и технологии. При протекании химической реакции на поверхности катализатора или одного из реагирующих веществ (например, горении угля) диффузия может определять скорость подвода др. реагирующих веществ и отвода продуктов реакции, т.е. являться определяющим (лимитирующим) процессом.

Для испарения и конденсации, растворения кристаллов и кристаллизации определяющей оказывается обычно. Процесс диффузия газов через пористые перегородки или в струю пара используется для изотопов разделения. Диффузия лежит в основе многочисленных технологических процессов -- адсорбции, цементации и др. (см. диффузионные процессы); широко применяются диффузионная сварка, диффузионная металлизация.

В жидких растворах диффузии молекул растворителя через полупроницаемые перегородки (мембраны) приводит к возникновению осмотического давления (см. Осмос), что используется в физико-химическом методе разделения веществ -- диализе.

Диффузия в биологических системах. Диффузия играет важную роль в процессах жизнедеятельности клеток и тканей животных и растений (например, диффузия кислорода из лёгких в кровь и из крови в ткани, всасывание продуктов пищеварения из кишечника, поглощение элементов минерального питания клетками корневых волосков, диффузия ионов при генерировании биоэлектрических импульсов нервными и мышечными клетками). Различная скорость диффузии ионов через клеточные мембраны -- один из физических факторов, влияющих на избирательное накопление элементов в клетках организма. Проникновение растворённого вещества в клетку может быть выражено законом Фика, в котором значение коэффициента диффузии заменено коэффициентом проницаемости мембраны, а градиент концентрации -- разностью концентраций вещества по обе стороны мембраны. Диффузионное проникновение в клетку газов и воды (см. Осмос) также описывается законом Фика; при этом значения разности концентраций заменяются значениями разности давлений газов и осмотических давлений внутри и вне клетки.

Различают простую диффузию -- свободное перемещение молекул и ионов в направлении градиента их химического (электрохимического) потенциала (так могут перемещаться лишь вещества с малыми размерами молекул, например вода, метиловый спирт); ограниченную диффузию, когда мембрана клетки заряжена и ограничивает диффузия заряженных частиц даже малого размера (например, слабое проникновение в клетку анионов); облегчённую Диффузия -- перенос молекул и ионов, самостоятельно не проникающих или очень слабо проникающих через мембрану, др. молекулами («переносчиками»); так, по-видимому, проникают в клетку сахара и аминокислоты. Через мембрану, вероятно, могут диффундировать и переносчик, и комплекс переносчика с веществом. Перенос вещества, определяемый градиентом концентрации переносчика, называется обменной диффузией; такая диффузия отчётливо проявляется в экспериментах с изотопными индикаторами. Различную концентрацию веществ в клетке и окружающей её среде нельзя объяснить только диффузия их через мембраны за счёт имеющихся электрохимических и осмотических градиентов. На распределение ионов влияют также процессы, которые могут вызывать перераспределение веществ против их электрохимического градиента с затратой энергии, -- так называемый активный транспорт ионов