Začněme tím, že kapalina je přechodným stavem agregace. Při kritickém bodu varu je podobný plynům a při nízkých teplotách se objevují vlastnosti podobné pevné látce. Kapalina nemá ideální model, což výrazně komplikuje popis jejích rovnovážných termodynamických vlastností, bodu tuhnutí, viskozity, difúze, tepelné vodivosti, povrchového napětí, entropie, entalpie.
Definice
Co je difúze? Jedná se o šíření, distribuci, pohyb částic prostředí, což vede k přenosu hmoty, nastolení rovnovážných koncentrací. Při absenci vnějších vlivů je tento proces dán tepelným pohybem částic. V tomto případě je proces difúze přímo úměrný koncentraci. Difúzní tok se bude měnit podobně jako koncentrační gradient.
Odrůdy
Pokud difúze v kapalině probíhá se změnou teploty, nazývá se to tepelná difúze, v elektrickém poli - elektrodifúze.
Proces pohybu velkých částic v kapalině nebo plynu probíhá podzákony Brownova pohybu.
Funkce toku
Difúze v plynech, kapalinách a pevných látkách probíhá různou rychlostí. Kvůli rozdílům v povaze tepelného pohybu částic v různých médiích má proces maximální rychlost v plynech a minimální rychlost - v pevných látkách.
Trajektorie částice je přerušovaná čára, protože směr a rychlost se periodicky mění. V důsledku neuspořádaného pohybu je pozorováno postupné odstraňování částice z původní polohy. Jeho posun podél přímky je mnohem kratší než cesta, která se odehrává po přerušené cestě.
Fickův zákon
Difúze v kapalině se řídí dvěma Fickovými zákony:
- hustota difuzního toku je přímo úměrná koncentraci s difuzním koeficientem;
- Rychlost změny hustoty difúzního toku je přímo úměrná rychlosti změny koncentrace a má opačný směr.
Difúze v kapalině je charakterizována skoky molekul z jedné rovnovážné polohy do druhé. Každý takový skok je pozorován, když je molekule předána energie v objemu dostatečném k přerušení vazby s jinými částicemi. Průměrný skok nepřesahuje vzdálenost mezi molekulami.
Když diskutujeme o tom, co je to difúze v kapalině, všimneme si, že proces závisí na teplotě. S jeho nárůstem dochází k „uvolňování“kapalné struktury, v důsledku čehož dochází k prudkému nárůstupočet skoků za jednotku času.
Difúze v plynech, kapalinách a pevných látkách má některé charakteristické vlastnosti. Například u pevných látek je mechanismus spojen s pohybem atomů v krystalové mřížce.
Funkce fenoménu
Difúze v kapalině je v praxi zajímavá, protože je doprovázena vyrovnáváním koncentrace látky v původně nehomogenním prostředí. Z oblastí s vysokou koncentrací uniká podstatně více částic.
Experimenty
Experimenty s kapalinami ukázaly, že difúze má zvláštní význam v chemické kinetice. V průběhu chemického procesu na povrchu reaktantů nebo katalyzátoru tento proces přispívá ke stanovení rychlosti odstraňování reakčních produktů a přidávání výchozích reagencií.
Co vysvětluje difúzi v kapalinách? Molekuly rozpouštědla jsou schopny pronikat přes průsvitné membrány, což má za následek osmotický tlak. Tento jev našel uplatnění v chemických a fyzikálních metodách separace látek.
Biologické systémy
V tomto případě lze modely difúze uvažovat na příkladu vstupu vzdušného kyslíku do plic, vstřebávání trávicích produktů ze střeva do krve, vstřebávání minerálních prvků kořenovými vlásky. K difúzi iontů dochází během generování bioelektrických impulsů svalovými a nervovými buňkami.
Fyzický faktor, který ovlivňujeselektivita akumulace určitých prvků v buňkách těla, je rozdílná rychlost pronikání iontů přes buněčné membrány. Tento proces lze vyjádřit Fickovým zákonem, kdy hodnotu difúzního koeficientu nahradíme propustností membrány a místo koncentračního gradientu použijeme rozdíl hodnot na obou stranách membrány. S difúzním pronikáním vody a plynů do buňky se indikátory osmotického tlaku vně a uvnitř buňky mění.
Při analýze toho, na čem závisí difúze, poznamenáváme, že existuje několik typů tohoto procesu. Jednoduchá forma je spojena s volným přenosem iontů a molekul směrem ke gradientu jejich elektrochemického potenciálu. Tato možnost je například vhodná pro látky, jejichž molekuly mají malou velikost, například metylalkohol, voda.
Omezená varianta předpokládá slabý přenos hmoty. Například ani malé částice nemohou proniknout do buňky.
Stránky s historií
Difúze byla objevena během rozkvětu starověké řecké kultury. Democritus a Anaxogoras byli přesvědčeni, že jakákoli látka se skládá z atomů. Rozmanitost látek běžných v přírodě vysvětlovali vazbami mezi jednotlivými atomy. Předpokládali, že se tyto částice mohou smíchat a vytvořit nové látky. Mezi zakladateli molekulárně-kinetické teorie, která vysvětlila mechanismus difúze, sehrál zvláštní roli Michail Lomonosov. Dali definici molekuly, atomu a vysvětlili mechanismus rozpouštění.
Experimenty
Zkušenosti s cukrem vám umožní porozumět všem vlastnostem difúze. Pokud do studeného čaje dáte kousek cukru, na dně šálku se postupně vytvoří hustý sirup. Je viditelný pouhým okem. Po určité době bude sirup rovnoměrně rozprostřen po celém objemu tekutiny a již nebude viditelný. Tento proces probíhá spontánně a nezahrnuje míchání složek roztoku. Podobně se po místnosti šíří vůně parfému.
Výše uvedené experimenty ukazují, že difúze je spontánní proces pronikání molekul jedné látky do druhé. K šíření hmoty dochází všemi směry, navzdory přítomnosti gravitace. Takový proces je přímým potvrzením neustálého pohybu molekul hmoty.
Ve výše uvedeném příkladu se tedy provádí difúze molekul cukru a vody, která je doprovázena rovnoměrným rozložením molekul organické hmoty v celém objemu kapaliny.
Experimenty umožňují detekovat difúzi nejen v kapalinách, ale také v plynných látkách. Na váhu můžete například nainstalovat nádobu s éterovou párou. Postupně se šálky dostanou do rovnováhy, pak bude sklenice éteru těžší. Jaký je důvod tohoto jevu?
Postupem času se molekuly éteru mísí s částicemi vzduchu a v místnosti začíná být cítit specifický zápach. Ve středoškolském kurzu fyziky se uvažuje o pokusu, kdy učitel rozpustí zrnko manganistanu draselného (manganistanu draselného) ve vodě. Nejprve je viditelná jasná trajektorie pohybu zrna,ale postupně celé řešení získá jednotný odstín. Na základě experimentu učitel vysvětluje vlastnosti difúze.
K identifikaci faktorů, které ovlivňují rychlost procesu v kapalinách, můžete použít vodu o různých teplotách. V horké kapalině je proces vzájemného míšení molekul pozorován mnohem rychleji, proto existuje přímý vztah mezi hodnotou teploty a rychlostí difúze.
Závěr
Pokusy prováděné s plyny, kapalinami a pevnými látkami umožňují formulovat fyzikální zákony, stanovit vztah mezi jednotlivými veličinami.
Výsledkem experimentů byl stanoven mechanismus vzájemného pronikání částic jedné látky do druhé, byla prokázána chaotická povaha jejich pohybu. Empiricky bylo zjištěno, že k difúzi dochází nejrychleji v plynných látkách. Tento proces má velký význam pro divokou přírodu, používá se ve vědě a technice.
Díky tomuto jevu je zachováno homogenní složení zemské atmosféry. Jinak by bylo pozorováno rozvrstvení troposféry na samostatné plynné látky a nejblíže povrchu naší planety by byl těžký oxid uhličitý, nevhodný k dýchání. K čemu by to vedlo? Divoká zvěř by prostě přestala existovat.
Role difúze ve světě rostlin je také skvělá. Bujnou korunu stromů lze vysvětlit difúzní výměnou přes povrch listů. V důsledku toho se provádí nejen dýchání, ale také výživa stromu. V současnosti v zemědělstvípoužívá se listová výživa keřů a stromů, která zahrnuje postřik koruny speciálními chemickými sloučeninami.
Během difúze rostlina přijímá živiny z půdy. S tímto jevem jsou spojeny i fyziologické procesy probíhající v živých organismech. Například rovnováha soli není možná bez difúze. Tyto procesy mají velký význam při zásobování jezer a řek kyslíkem. Plyn se do hlubin zásobníku dostává právě difúzí. Pokud by takový proces neexistoval, život v nádrži by přestal existovat.
Příjem léků, které umožňují člověku chránit se před patogeny různých nemocí a zlepšit pohodu, je také založen na difúzi. Tento jev se využívá při svařování kovů, výrobě cukrové šťávy z řepných lupínků a přípravě cukrovinek. Je těžké najít takové odvětví moderního průmyslu, kde se nepoužívá difúze.
