Почнемо з того, що рідина є проміжним агрегатним станом. При критичній точці кипіння вона схожа з газами, а при низьких температурах проявляються характеристики, аналогічні твердому тілу. У рідині немає ідеальної моделі, що суттєво ускладнює опис її рівноважних термодинамічних властивостей, температури замерзання, в'язкості, дифузії, теплопровідності, поверхневого натягу, ентропії, ентальпії.

Визначення

Що таке дифузія? Це розтікання, розповсюдження, пересування частинок середовища, яке призводить до перенесення речовини, встановлення рівноважних концентрацій. При відсутності зовнішніх впливів даний процес визначається тепловим рухом частинок. В цьому випадку процес дифузії пов'язаний з концентрацією прямо пропорційною залежністю. Дифузійний потік буде змінюватися аналогічно градієнту концентрацій.

Різновиди

Якщо дифузія в рідини протікає при зміні температур, її називають термодиффузией, в електричному полі – электродиффузией. Процес руху частинок великих розмірів в рідині або газі відбувається під законами броунівського руху.

Особливості протікання

Дифузія в газах, рідинах і твердих тілах протікає з різною швидкістю. Із-за відмінностей в характері теплового руху частинок в різних середовищах, максимальну швидкість процес має в газах, а мінімальний показник - у твердих тілах. Траєкторією руху частинки є ламана лінія, оскільки періодично змінюється напрямок і швидкість. Через невпорядкованість руху спостерігається поступове вилучення частки від початкового положення. Зміщення її по прямій лінії значно коротше того шляху, який відбувається по ламаній траєкторії.

Закон Фіка

Дифузія в рідині підпорядковується двом законами Фіка:

густина дифузійного потоку прямо пропорційна концентрації з коефіцієнтом дифузії;

швидкість зміни щільності потоку дифузії прямо пропорційна швидкості зміни концентрації і має зворотний напрямок.

Дифузія в рідини характеризується стрибками молекул з одного рівноважного положення в інше. Кожен такий стрибок спостерігається в разі повідомлення енергії молекулі в обсязі, достатньому для розриву зв'язку з іншими частинками. Середня величина стрибка не перевищує відстані між молекулами. Розмірковуючи над тим, що таке дифузія в рідині, зазначимо, що процес залежить від температури. При її підвищенні відбувається «розпушення» структури рідини, в результаті чого спостерігається різке збільшення кількості перескоків за одиницю часу. Дифузія в газах, рідинах і твердих тілах має деякі відмітні характеристики. Наприклад, у твердих тілах механізм пов'язаний з переміщенням атомів усередині кристалічної решітки.

Особливості явища

Дифузія в рідині становить практичний інтерес завдяки тому, що він супроводжується вирівнюванням концентрації речовини в гетерогенному середовищі. З дільниць, мають більшу концентрацію частинок йде значно більше.

Експерименти

Досліди з рідинами показали, що дифузія має особливе значення в хімічній кінетиці. Під час протікання хімічного процесу на поверхні реагуючих речовин або каталізатора даний процес сприяє визначенню швидкості відводу продуктів реакції і додаванню вихідних реагентів.
Чим пояснюється дифузія в рідинах? Молекули розчинника здатні проникати через напівпрозорі мембрани, в результаті чого виникає осмотичний тиск. Це явище знайшло застосування в хімічних і фізичних методів розділення речовин.

Біологічні системи

У цьому випадку моделі дифузії можна розглядати на прикладі надходження в легені кисню повітря, всмоктування з кишечника в кров продуктів травлення, поглинання кореневими волосками мінеральних елементів. Дифузія іонів відбувається під час генерування м'язовими і нервовими клітинами біоелектричних імпульсів. Фізичним фактором, який впливає на вибірковість накопичення в клітинах організму певних елементів, є різна швидкість проникнення іонів через мембрани клітин. Цей процес можна виразити законом Фіка, замінивши величину коефіцієнта дифузії показником проникності мембрани, а замість градієнта концентрації використовувати різниця значень з обох боків мембрани. При дифузійному проникнення води і газів в клітку змінюються осмотичні показники тиску поза і всередині клітини. Аналізуючи, від чого залежить дифузія, зазначимо, що виділяють кілька видів цього процесу. Проста форма пов'язана з вільним перенесенням іонів і молекул у бік градієнта їх електрохімічного потенціалу. Наприклад, такий варіант підходить для тих речовин, молекули яких мають незначні розміри, наприклад, метиловий спирт, вода. Обмежений варіант передбачає слабкий перенесення речовини. Наприклад, в клітку не здатні проникати навіть невеликі за розмірами частинки.

Сторінки історії

Дифузія була відкрита під час розквіту давньогрецької культури. Демокріт і Анаксогор були переконані в тому, що будь-яка речовина складається з атомів. Різноманітність речовин, поширених в природі, вони пояснювали з'єднаннями між собою окремих атомів. Вони припускали, що ці частки можуть змішуватися, утворюючи нові речовини. Серед засновників молекулярно-кінетичної теорії, яка пояснила механізм протікання дифузії, особливу роль зіграв Михайло Ломоносов. Їм було дано визначення молекули, атома, пояснений механізм розчинення.

Експерименти

Досвід з цукром дозволяє зрозуміти всі особливості дифузії. Якщо в холодний чай покласти шматок цукру, поступово на дні чашки утворюється густий сироп. Він видно неозброєним оком. Через деякий час сироп рівномірно розподілиться по всьому об'єму рідини і перестане бути видно. Даний процес протікає мимовільно і не передбачає перемішування компонентів розчину. Аналогічно відбувається поширення по всьому об'єму кімнати аромату духів. Наведені досліди свідчать про те, що дифузія є самовільним процесом проникнення молекул однієї речовини в іншу. Поширення речовини відбувається у всі сторони, незважаючи на наявність сили тяжіння. Подібний процес є підтвердженням постійного руху молекул речовини. Так, у наведеному вище прикладі, здійснюється дифузія молекул цукру і води, яка супроводжується рівномірним розподілом молекул органічної речовини по всьому об'єму рідини. Експерименти дозволяють виявляти дифузію не тільки в рідинах, але і в газоподібних речовинах. Наприклад, можна встановити на вагах ємність з парами ефіру. Поступово чашки прийдуть в рівновагу, потім склянку з ефіром виявиться важче. У чому причина такого явища? З плином часу молекули ефіру змішуються з частинками повітря, і в кімнаті починає відчуватися специфічний запах. В курсі фізики середньої школи розглядається експеримент, в якому вчитель розчиняє крупинку марганцівки (перманганату калію) у воді. Спочатку видна чітка траєкторія руху крупинки, але поступово весь розчин набуває рівномірний відтінок. На основі проведеного експерименту педагог пояснює особливості дифузії. Щоб виявити фактори, які впливають на швидкість протікання процесу в рідинах, можна скористатися водою різної температури. В гарячій рідині процес взаємного перемішування молекул спостерігається набагато швидше, отже, існує пряма залежність між значенням температури і швидкістю протікання дифузії.

Висновок

Досліди, що проводяться з газами, рідинами і твердими речовинами, дозволяють сформулювати закони фізики, встановити залежність між окремими величинами. Саме в результаті експериментів було встановлено механізм взаємного проникнення частинок однієї речовини в іншу, доведена хаотичність їх руху. Досвідченим шляхом було виявлено, що найшвидше відбувається дифузія в газоподібних речовинах. Даний процес має величезне значення для живої природи, використовується в науці і техніці. Завдяки цьому явищу підтримується однорідний склад земної атмосфери. В іншому випадку спостерігався б розшарування тропосфери на окремі газоподібні речовини, і важкий вуглекислий газ, непридатний для дихання, був би ближче до поверхні нашої планети. До чого б це призвело? Жива природа просто перестала б існувати. Велика роль дифузії і в рослинному світі. Пишну крону дерев можна пояснити дифузійним обміном через поверхню листя. В результаті здійснюється не тільки дихання, але і харчування дерева. В даний час в сільському господарстві застосовується позакореневе підживлення кущів і дерев, що передбачає обприскування крони спеціальними хімічними складами. Саме при дифузії рослину з ґрунту отримує поживні речовини. Фізіологічні процеси, що протікають в живих організмах, також пов'язані з даним явищем. Наприклад, сольовий баланс неможливий без дифузії. Величезне значення подібні процеси відіграють в постачанні озер і річок киснем. Газ потрапляє в глиб водойми саме шляхом дифузії. Якщо б такий процес був відсутній, життя всередині водойми перестала б існувати. Прийом лікарських препаратів, що дозволяють людині захищати себе від збудників різних захворювань і покращувати самопочуття, також базується на дифузії. Це явище застосовується при зварюванні металів, отримання цукрового соку їх бурякової стружки, приготуванні кондитерських виробів. Важко знайти таку галузь сучасної промисловості, де б не застосовувалася дифузія.