Entre els nombrosos fenòmens de la física, el procés de difusió és un dels més simples i comprensibles. Després de tot, cada matí, preparant-se un te o un cafè fragants, una persona té l'oportunitat d'observar aquesta reacció a la pràctica. Aprenem més sobre aquest procés i les condicions per a que es produeixi en diferents estats agregats.
Què és la difusió
Aquesta paraula es refereix a la penetració de molècules o àtoms d'una substància entre unitats estructurals semblants d'una altra. En aquest cas, la concentració de compostos penetrants s'anivella.
Aquest procés va ser descrit per primera vegada en detall pel científic alemany Adolf Fick l'any 1855
El nom d'aquest terme es va formar a partir del substantiu verbal llatí diffusio (interacció, dispersió, distribució).
Difusió en líquid
El procés considerat pot ocórrer amb substàncies en els tres estats d'agregació: gasós, líquid i sòlid. Per obtenir exemples pràctics d'això, només cal que mireucuina.
El borscht bullit a l'estufa és un d'ells. Sota la influència de la temperatura, les molècules de glucosina betanina (una substància a causa de la qual les remolatxes tenen un color escarlata tan ric) reaccionen uniformement amb les molècules d'aigua, donant-li una tonalitat bordeus única. Aquest cas és un exemple de difusió en líquids.
A més del borscht, aquest procés també es pot veure en una copa de te o cafè. Ambdues begudes tenen una ombra ric tan uniforme a causa del fet que les fulles de te o les partícules de cafè, que es dissolen a l'aigua, s'estenen uniformement entre les seves molècules, acolorint-les. L'acció de totes les begudes instantànies populars dels anys noranta es basa en el mateix principi: Yupi, Invite, Zuko.
Interpenetració de gasos
Seguint buscant més enllà les manifestacions del procés en qüestió a la cuina, val la pena ensumar i gaudir de l'agradable aroma que emana d'un ram de flors fresques a la taula del menjador. Per què passa això?
Els àtoms i les molècules que porten olor estan en moviment actiu i, com a resultat, es barregen amb partícules que ja estan a l'aire i es dispersen de manera bastant uniforme en el volum de l'habitació.
Aquesta és una manifestació de difusió en gasos. Val la pena assenyalar que la mateixa inhalació d'aire també pertany al procés en qüestió, així com l'apetitosa olor del borscht acabat de cuinar a la cuina.
Difusió en sòlids
La taula de la cuina amb flors està coberta amb una estovalla de color groc brillant. Va rebre una ombra semblant gràcies ala capacitat de difusió per passar a través dels sòlids.
El procés de donar una mica d'ombra uniforme al llenç té lloc en diverses etapes de la següent manera.
- Partícules de pigment groc es van difondre al dipòsit de tinta cap al material fibrós.
- Després van ser absorbits per la superfície exterior del teixit tenyit.
- El següent pas va ser tornar a difondre el colorant, però aquesta vegada a les fibres de la xarxa.
- A la final, el teixit va fixar les partícules de pigment i així es va acolorir.
Difusió de gasos en metalls
En general, parlant d'aquest procés, considerem la interacció de substàncies en el mateix estat d'agregació. Per exemple, difusió en sòlids, sòlids. Per demostrar aquest fenomen, es fa un experiment amb dues plaques metàl·liques pressionades una contra l' altra (or i plom). La interpenetració de les seves molècules triga força temps (un mil·límetre en cinc anys). Aquest procés s'utilitza per fer joies inusuals.
No obstant això, els compostos en diferents estats agregats també són capaços de difondre's. Per exemple, hi ha difusió de gasos en sòlids.
Durant els experiments es va demostrar que aquest procés té lloc en estat atòmic. Per activar-lo, per regla general, necessiteu un augment significatiu de temperatura i pressió.
Un exemple d'aquesta difusió gasosa en sòlids és la corrosió de l'hidrogen. Es manifesta en situacions en quèEls àtoms d'hidrogen (Н2) que han sorgit en el curs d'alguna reacció química sota la influència de temperatures elevades (de 200 a 650 graus Celsius) penetren entre les partícules estructurals del metall.
A més de l'hidrogen, la difusió d'oxigen i altres gasos també es pot produir en els sòlids. Aquest procés, imperceptible a la vista, fa molt de mal, perquè les estructures metàl·liques poden col·lapsar-se a causa d'això.
Difusió de líquids en metalls
No obstant això, no només les molècules de gas poden penetrar en sòlids, sinó també en líquids. Com en el cas de l'hidrogen, la majoria de vegades aquest procés condueix a la corrosió (quan es tracta de metalls).
Un exemple clàssic de difusió de líquids en sòlids és la corrosió de metalls sota la influència de l'aigua (H2O) o solucions d'electròlits. Per a la majoria, aquest procés és més familiar amb el nom d'oxidació. A diferència de la corrosió de l'hidrogen, a la pràctica s'ha de trobar amb molta més freqüència.
Condicions per accelerar la difusió. Coeficient de difusió
Un cop tractat amb les substàncies en què es pot produir el procés considerat, val la pena conèixer les condicions per a la seva aparició.
En primer lloc, la velocitat de difusió depèn de l'estat agregat de les substàncies que interactuen. Com més gran sigui la densitat del material en què es produeix la reacció, més lenta serà la seva velocitat.
En aquest sentit, la difusió en líquids i gasos serà sempre més activa que en sòlids.
Per exemple, si els cristallspermanganat de potassi KMnO4 (permanganat de potassi) tirar a l'aigua, li donaran un bonic color gerd en pocs minuts Color. Tanmateix, si ruixeu cristalls de KMnO4 sobre un tros de gel i ho poseu tot al congelador, després d'unes hores, el permanganat de potassi es farà no es pot acolorir completament l'H 2O.
O.
De l'exemple anterior, es pot extreure una conclusió més sobre les condicions de difusió. A més de l'estat d'agregació, la temperatura també afecta la velocitat d'interpenetració de les partícules.
Per considerar la dependència del procés que s'està considerant, val la pena conèixer un concepte com el coeficient de difusió. Aquest és el nom de la característica quantitativa de la seva velocitat.
A la majoria de fórmules, es denota amb una lletra llatina majúscula D i en el sistema SI es mesura en metres quadrats per segon (m² / s), de vegades en centímetres per segon (cm2 /m).
El coeficient de difusió és igual a la quantitat de matèria dispersa per una unitat de superfície durant una unitat de temps, sempre que la diferència de densitat en ambdues superfícies (situades a una distància igual a una unitat de longitud) sigui igual a un. Els criteris que determinen D són les propietats de la substància en la qual té lloc el propi procés de dispersió de partícules i el seu tipus.
La dependència del coeficient de la temperatura es pot descriure mitjançant l'equació d'Arrhenius: D=D0exp(-E/TR).
A la fórmula considerada E és l'energia mínima necessària per activar el procés; T - temperatura (mesurada en Kelvin, no en Celsius); R-constant de gas característica d'un gas ideal.
A més de tot l'anterior, la velocitat de difusió en sòlids, líquids en gasos es veu afectada per la pressió i la radiació (inductiva o d' alta freqüència). A més, depèn molt de la presència d'una substància catalítica, sovint actua com a desencadenant per a l'inici de la dispersió activa de partícules.
Equació de difusió
Aquest fenomen és una forma particular de l'equació diferencial parcial.
El seu objectiu és trobar la dependència de la concentració d'una substància de la mida i les coordenades de l'espai (en el qual es difon), així com del temps. En aquest cas, el coeficient donat caracteritza la permeabilitat del medi per a la reacció.
La majoria de vegades, l'equació de difusió s'escriu de la següent manera: ∂φ (r, t)/∂t=∇ x [D(φ, r) ∇ φ (r, t)].
En ell φ (t i r) és la densitat de la substància dispersa en el punt r en el temps t. D (φ, r) - coeficient de difusió generalitzat a la densitat φ al punt r.
∇ - operador diferencial vectorial els components del qual són derivades parcials en coordenades.
Quan el coeficient de difusió depèn de la densitat, l'equació és no lineal. Quan no - lineal.
Tenint en compte la definició de la difusió i les característiques d'aquest procés en diferents entorns, es pot observar que té costats tant positius com negatius.
