Сұйықтық агрегацияның аралық күйі екендігінен бастайық. Критикалық қайнау нүктесінде ол газдарға ұқсас, ал төмен температурада қатты денеге ұқсас сипаттамалар пайда болады. Сұйықтың идеалды моделі жоқ, бұл оның тепе-теңдік термодинамикалық қасиеттерін, қату температурасын, тұтқырлығын, диффузиясын, жылу өткізгіштігін, беттік керілуін, энтропиясын, энтальпиясын сипаттауды айтарлықтай қиындатады.
Анықтама
Диффузия дегеніміз не? Бұл заттың тасымалдануына, тепе-теңдік концентрацияларының орнатылуына әкелетін орта бөлшектерінің таралуы, таралуы, қозғалысы. Сыртқы әсерлер болмаған жағдайда бұл процесс бөлшектердің жылулық қозғалысымен анықталады. Бұл жағдайда диффузия процесі концентрацияға тура пропорционал болады. Диффузия ағыны концентрация градиентіне ұқсас өзгереді.
Сұрттар
Сұйықтағы диффузия температураның өзгеруімен жүрсе, оны жылулық диффузия, электр өрісінде – электродиффузия деп атайды.
Сұйықтықтағы немесе газдағы ірі бөлшектердің қозғалу процесі астында жүредіброундық қозғалыс заңдары.
Ағынның ерекшеліктері
Газдардағы, сұйықтардағы және қатты заттардағы диффузия әртүрлі жылдамдықпен жүреді. Әртүрлі орталардағы бөлшектердің жылулық қозғалысының табиғатындағы айырмашылықтарға байланысты процесс газдарда максималды жылдамдыққа, ал ең төменгі жылдамдық қатты денелерде болады.
Бөлшектің траекториясы үзік сызық болып табылады, өйткені бағыты мен жылдамдығы мезгіл-мезгіл өзгеріп отырады. Қозғалыстың ретсіз болуына байланысты бөлшектің бастапқы орнынан біртіндеп жойылуы байқалады. Оның түзу бойымен орын ауыстыруы сынық жол бойындағы жолдан әлдеқайда қысқа.
Фик заңы
Сұйықтағы диффузия Фиктің екі заңына бағынады:
- диффузия ағынының тығыздығы диффузия коэффициенті бар концентрацияға тура пропорционал;
- Диффузия ағынының тығыздығының өзгеру жылдамдығы концентрацияның өзгеру жылдамдығына тура пропорционал және қарама-қарсы бағытта болады.
Сұйықтықтағы диффузия молекулалардың бір тепе-теңдік күйден екіншісіне секіруімен сипатталады. Әрбір мұндай секіру басқа бөлшектермен байланысты үзу үшін жеткілікті көлемде молекулаға энергия берілгенде байқалады. Орташа секіру молекулалар арасындағы қашықтықтан аспайды.
Сұйықтықтағы диффузия деген не екенін талқылағанда, процестің температураға байланысты екенін ескереміз. Оның ұлғаюымен сұйықтық құрылымының «қопсытуы» орын алады, соның салдарынан күрт өседі.уақыт бірлігіне секіру саны.
Газдардағы, сұйықтардағы және қатты денелердегі диффузияның кейбір ерекше сипаттамалары бар. Мысалы, қатты денелерде механизм кристалдық тор ішіндегі атомдардың қозғалысымен байланысты.
Құбылыстың ерекшеліктері
Сұйықтықтағы диффузия бастапқыда біртекті емес ортадағы зат концентрациясының теңестірілуімен жүретіндіктен практикалық қызығушылық тудырады. Концентрациясы жоғары аймақтардан едәуір көбірек бөлшектер сыртқа шығады.
Тәжірибелер
Сұйықтармен жүргізілген тәжірибелер диффузияның химиялық кинетикада ерекше маңызы бар екенін көрсетті. Әрекеттесуші заттардың немесе катализатордың бетіндегі химиялық процесс барысында бұл процесс реакция өнімдерінің жойылу жылдамдығын және бастапқы реагенттерді қосуды анықтауға ықпал етеді.
Сұйықтардағы диффузияны не түсіндіреді? Еріткіш молекулалары мөлдір мембраналар арқылы еніп, осмостық қысымды тудырады. Бұл құбылыс заттарды бөлудің химиялық және физикалық әдістерінде қолданылуын тапты.
Биологиялық жүйелер
Бұл жағдайда диффузиялық модельдерді ауа оттегінің өкпеге түсуі, ішектен ас қорыту өнімдерінің қанға сіңуі, минералды элементтердің тамыр түктерімен сіңуі мысалында қарастыруға болады. Иондардың диффузиясы бұлшықет және жүйке жасушалары арқылы биоэлектрлік импульстарды генерациялау кезінде жүреді.
Әсер ететін физикалық факторбелгілі бір элементтердің дене жасушаларында жинақталуының селективтілігі, жасуша мембраналары арқылы иондардың ену жылдамдығының әртүрлілігі. Бұл процесті диффузия коэффициентінің мәнін мембрана өткізгіштігімен алмастыра отырып, Фик заңымен өрнектеуге болады және концентрация градиентінің орнына мембрананың екі жағындағы мәндер айырмашылығын қолданыңыз. Судың және газдардың жасушаға диффузиялық енуімен жасушаның сыртындағы және ішіндегі осмостық қысым көрсеткіштері өзгереді.
Диффузия неге байланысты екенін талдай отырып, біз бұл процестің бірнеше түрі бар екенін ескереміз. Қарапайым пішін иондар мен молекулалардың электрохимиялық потенциалының градиентіне қарай еркін ауысуымен байланысты. Мысалы, бұл опция молекулалары шағын өлшемді заттарға, мысалы, метил спиртіне, суға жарамды.
Шектеулі нұсқа заттың әлсіз тасымалдануын болжайды. Мысалы, тіпті кішкентай бөлшектер ұяшыққа өте алмайды.
Тарих беттері
Диффузия ежелгі грек мәдениетінің гүлдену кезеңінде ашылған. Демокрит пен Анаксогор кез келген зат атомдардан тұратынына сенімді болды. Олар табиғатта көп кездесетін заттардың алуан түрлілігін жеке атомдар арасындағы байланыстармен түсіндірді. Олар бұл бөлшектер араласып, жаңа заттар түзе алады деп есептеді. Диффузия механизмін түсіндіретін молекулалық-кинетикалық теорияның негізін салушылар арасында Михаил Ломоносов ерекше рөл атқарды. Олар молекулаға, атомға анықтама берді және еру механизмін түсіндірді.
Тәжірибелер
Қантпен тәжірибе диффузияның барлық ерекшеліктерін түсінуге мүмкіндік береді. Суық шайға қанттың бір бөлігін салсаңыз, кесе түбінде бірте-бірте қою сироп пайда болады. Бұл жай көзге көрінеді. Біраз уақыттан кейін сироп сұйықтықтың бүкіл көлеміне біркелкі таралады және енді көрінбейді. Бұл процесс өздігінен жүреді және ерітіндінің компоненттерін араластыруды қажет етпейді. Дәл осылай иіссудың иісі бүкіл бөлмеге таралады.
Жоғарыда жүргізілген тәжірибелер диффузияның бір заттың молекулаларының екінші затқа енуінің өздігінен жүретін процесі екенін көрсетеді. Заттың таралуы ауырлық күшінің болуына қарамастан барлық бағытта жүреді. Мұндай процесс зат молекулаларының тұрақты қозғалысының тікелей растауы болып табылады.
Осылайша, жоғарыда келтірілген мысалда қант пен су молекулаларының диффузиясы жүзеге асырылады, бұл сұйықтықтың бүкіл көлеміне органикалық заттар молекулаларының біркелкі таралуымен бірге жүреді.
Тәжірибелер диффузияны тек сұйықтарда ғана емес, газ тәрізді заттарда да анықтауға мүмкіндік береді. Мысалы, таразыға эфир буы бар ыдысты орнатуға болады. Біртіндеп шыныаяқтар тепе-теңдікке келеді, содан кейін эфир шыны ауыр болады. Бұл құбылыстың себебі неде?
Уақыт өте келе эфир молекулалары ауа бөлшектерімен араласып, бөлмеде ерекше иіс сезіле бастайды. Орта мектептің физика курсында мұғалімнің суда калий перманганатының (калий перманганаты) дәнін ерітетін эксперимент қарастырылады. Алдымен астық қозғалысының айқын траекториясы көрінеді,бірақ бірте-бірте бүкіл шешім біркелкі реңкке ие болады. Эксперимент негізінде мұғалім диффузияның ерекшеліктерін түсіндіреді.
Сұйықтардағы процестің жылдамдығына әсер ететін факторларды анықтау үшін әртүрлі температурадағы суды пайдалануға болады. Ыстық сұйықтықта молекулалардың өзара араласу процесі әлдеқайда жылдам байқалады, сондықтан температура мәні мен диффузия жылдамдығы арасында тікелей байланыс бар.
Қорытынды
Газдар, сұйықтар және қатты заттармен жүргізілген тәжірибелер физика заңдарын тұжырымдауға, жеке шамалар арасындағы байланысты орнатуға мүмкіндік береді.
Тәжірибелердің нәтижесінде бір заттың бөлшектерінің екінші затқа өзара ену механизмі анықталды, олардың қозғалысының ретсіз сипаты дәлелденді. Эмпирикалық түрде диффузияның газ тәрізді заттарда ең жылдам жүретіні анықталды. Бұл процесс жабайы табиғат үшін өте маңызды, ол ғылым мен техникада қолданылады.
Осы құбылыстың арқасында жер атмосферасының біртекті құрамы сақталады. Әйтпесе, тропосфераның жекелеген газтәрізді заттарға стратификациясы байқалып, тыныс алуға жарамсыз ауыр көмірқышқыл газы планетамыздың бетіне ең жақын орналасар еді. Бұл не әкеледі? Жабайы табиғат өмір сүруді тоқтатады.
Өсімдіктер әлеміндегі диффузияның рөлі де үлкен. Ағаштардың әдемі тәжі жапырақтардың беті арқылы диффузиялық алмасу арқылы түсіндіріледі. Нәтижесінде тыныс алу ғана емес, ағаштың тамақтануы да жүзеге асырылады. Қазіргі уақытта ауыл шаруашылығындабұталар мен ағаштарды жапырақты азықтандыру қолданылады, ол тәжді арнайы химиялық қосылыстармен бүркуді қамтиды.
Диффузия кезінде өсімдік топырақтан қоректік заттарды алады. Тірі организмдерде болатын физиологиялық процестер де осы құбылыспен байланысты. Мысалы, диффузиясыз тұз балансы мүмкін емес. Көлдер мен өзендерді оттегімен қамтамасыз етуде мұндай процестердің маңызы зор. Газ қабаттың тереңдігіне диффузия арқылы дәл түседі. Егер мұндай процесс болмаса, су қоймасының ішіндегі тіршілік тіршілігін тоқтатар еді.
Адамды әртүрлі аурулардың қоздырғыштарынан қорғауға және әл-ауқатын жақсартуға мүмкіндік беретін дәрілерді қабылдау да диффузияға негізделген. Бұл құбылыс металдарды дәнекерлеуде, қызылша чиптерінен қант шырынын алуда, кондитерлік өнімдерді дайындауда қолданылады. Диффузия қолданылмайтын заманауи өнеркәсіп саласын табу қиын.
