Mezi četnými jevy ve fyzice je proces difúze jedním z nejjednodušších a nejsrozumitelnějších. Koneckonců, každé ráno, když si připravuje voňavý čaj nebo kávu, má člověk možnost pozorovat tuto reakci v praxi. Pojďme se dozvědět více o tomto procesu a podmínkách jeho výskytu v různých agregovaných stavech.
Co je difúze
Toto slovo označuje pronikání molekul nebo atomů jedné látky mezi podobné strukturní jednotky jiné. V tomto případě je koncentrace penetračních sloučenin vyrovnána.
Tento proces poprvé podrobně popsal německý vědec Adolf Fick v roce 1855
Název tohoto termínu vznikl z latinského slovesného podstatného jména diffusio (interakce, rozptyl, distribuce).
Difúze v kapalině
Uvažovaný proces může probíhat u látek ve všech třech stavech agregace: plynné, kapalné a pevné. Pro praktické příklady se stačí podívat nakuchyně.
Jedním z nich je boršč vařený v kamnech. Pod vlivem teploty molekuly glukosinu betaninu (látka, díky které má řepa tak sytě šarlatovou barvu) rovnoměrně reagují s molekulami vody a dodávají jí jedinečný vínový odstín. Tento případ je příkladem difúze v kapalinách.
Kromě boršče je tento proces vidět také ve sklenici čaje nebo kávy. Oba tyto nápoje mají tak jednotný sytý odstín díky tomu, že čajové lístky nebo částečky kávy, rozpuštěné ve vodě, se rovnoměrně rozprostírají mezi její molekuly a barví ji. Akce všech oblíbených instantních nápojů devadesátých let je postavena na stejném principu: Yupi, Invite, Zuko.
Vzájemné pronikání plynů
Pokračujeme-li v dalším hledání projevů daného procesu v kuchyni, stojí za to přičichnout a vychutnat si příjemnou vůni vycházející z kytice čerstvých květin na jídelním stole. Proč se to děje?
Atomy a molekuly nesoucí pach jsou v aktivním pohybu a v důsledku toho se mísí s částicemi, které jsou již ve vzduchu, a jsou poměrně rovnoměrně rozptýleny v objemu místnosti.
Jedná se o projev difúze v plynech. Stojí za zmínku, že k uvažovanému procesu patří také samotné vdechování vzduchu a také lahodná vůně čerstvě uvařeného boršče v kuchyni.
Difúze v pevných látkách
Kuchyňský stůl s květinami je pokrytý jasně žlutým ubrusem. Podobný odstín získala díkyschopnost difúze procházet pevnými látkami.
Proces, který dává plátnu nějaký jednotný odstín, probíhá v několika fázích následovně.
- Částice žlutého pigmentu difundované v nádržce s inkoustem směrem k vláknitému materiálu.
- Potom byly absorbovány vnějším povrchem barvené látky.
- Dalším krokem bylo opět rozptýlení barviva, ale tentokrát do vláken sítě.
- Ve finále látka zafixovala částice pigmentu, čímž se zabarvila.
Difúze plynů v kovech
Když mluvíme o tomto procesu, obvykle uvažujme o interakci látek ve stejném stavu agregace. Například difúze v pevných látkách, pevné látky. K prokázání tohoto jevu se provádí experiment se dvěma kovovými deskami přitisknutými k sobě (zlato a olovo). Vzájemné pronikání jejich molekul trvá poměrně dlouho (jeden milimetr za pět let). Tento proces se používá k výrobě neobvyklých šperků.
Sloučeniny v různých agregovaných stavech jsou však také schopné difundovat. Například dochází k difúzi plynů v pevných látkách.
Během experimentů bylo prokázáno, že takový proces probíhá v atomárním stavu. Chcete-li jej aktivovat, musíte zpravidla výrazně zvýšit teplotu a tlak.
Příkladem takové difúze plynů v pevných látkách je vodíková koroze. Projevuje se v situacích, kdyMezi strukturní částice kovu pronikají atomy vodíku (Н2), které vznikly v průběhu nějaké chemické reakce pod vlivem vysokých teplot (od 200 do 650 stupňů Celsia).
V pevných látkách může kromě vodíku docházet také k difúzi kyslíku a dalších plynů. Tento okem nepostřehnutelný proces napáchá mnoho škody, protože kovové konstrukce se kvůli němu mohou zhroutit.
Difúze kapalin v kovech
Do pevných látek, ale i kapalin mohou pronikat nejen molekuly plynu. Stejně jako v případě vodíku vede tento proces nejčastěji ke korozi (pokud jde o kovy).
Klasickým příkladem difúze kapaliny v pevných látkách je koroze kovů vlivem vody (H2O) nebo roztoků elektrolytů. Pro většinu je tento proces známější pod názvem rezivění. Na rozdíl od vodíkové koroze se s ní v praxi musíme setkat mnohem častěji.
Podmínky pro urychlení difúze. Difúzní koeficient
Když jsme se zabývali látkami, ve kterých se uvažovaný proces může vyskytovat, stojí za to se dozvědět o podmínkách jeho vzniku.
Za prvé, rychlost difúze závisí na agregovaném stavu interagujících látek. Čím větší je hustota materiálu, ve kterém reakce probíhá, tím pomalejší je její rychlost.
V tomto ohledu bude difúze v kapalinách a plynech vždy aktivnější než v pevných látkách.
Například, pokud krystalymanganistan draselný KMnO4 (manganistan draselný) hoďte do vody, dodají mu krásnou malinovou barvu za pár minut Barva. Pokud však posypete krystaly KMnO4 na kus ledu a dáte to celé do mrazáku, po několika hodinách se manganistan draselný rozpustí nelze plně vybarvit zmrzlé H 2O.
Z předchozího příkladu lze vyvodit ještě jeden závěr o podmínkách difúze. Kromě stavu agregace ovlivňuje rychlost pronikání částic také teplota.
Abychom zvážili závislost uvažovaného procesu na tom, stojí za to seznámit se s takovým konceptem, jako je difúzní koeficient. Toto je název kvantitativní charakteristiky jeho rychlosti.
Ve většině vzorců se označuje velkým latinským písmenem D a v soustavě SI se měří v metrech čtverečních za sekundu (m² / s), někdy v centimetrech za sekundu (cm2 /m).
Koeficient difúze se rovná množství hmoty rozptýlené jednotkovým povrchem za jednotku času za předpokladu, že rozdíl hustoty na obou površích (umístěných ve vzdálenosti rovné jednotkové délce) je roven jedné. Kritéria, která určují D, jsou vlastnosti látky, ve které samotný proces rozptylu částic probíhá, a jejich typ.
Závislost koeficientu na teplotě lze popsat pomocí Arrheniovy rovnice: D=D0exp(-E/TR).
V uvažovaném vzorci E je minimální energie potřebná k aktivaci procesu; T - teplota (měřená v Kelvinech, ne ve stupních Celsia); R-charakteristika plynové konstanty ideálního plynu.
Kromě výše uvedeného je rychlost difúze v pevných látkách, kapalinách v plynech ovlivněna tlakem a zářením (indukčním nebo vysokofrekvenčním). Navíc hodně závisí na přítomnosti katalytické látky, která často působí jako spouštěč pro začátek aktivní disperze částic.
Rovnice difúze
Tento jev je zvláštní formou parciální diferenciální rovnice.
Jejím cílem je najít závislost koncentrace látky na velikosti a souřadnicích prostoru (ve kterém difunduje) a také na čase. V tomto případě daný koeficient charakterizuje propustnost prostředí pro reakci.
Nejčastěji se difúzní rovnice zapisuje následovně: ∂φ (r, t)/∂t=∇ x [D(φ, r) ∇ φ (r, t)].
V něm φ (ta r) je hustota rozptylující látky v bodě r v čase t. D (φ, r) - zobecněný difúzní koeficient při hustotě φ v bodě r.
∇ - vektorový diferenciální operátor, jehož složky jsou parciální derivace v souřadnicích.
Když je koeficient difúze závislý na hustotě, rovnice je nelineární. Když ne – lineární.
Po zvážení definice difúze a rysů tohoto procesu v různých prostředích lze poznamenat, že má pozitivní i negativní stránky.
