Серед численних явищ у фізиці процес дифузії відноситься до одних з найбільш простих і зрозумілих. Адже щоранку, готуючи собі ароматний чай або кава, людина має можливість спостерігати цю реакцію на практиці. Давайте дізнаємося більше про цьому процесі та умов його протікання в різних агрегатних станах.

Що таке дифузія

Цим словом іменується проникнення молекул або атомів однієї речовини між аналогічними структурними одиницями іншого. При цьому концентрація сполук проникаючого вирівнюється.


Вперше цей процес був докладно описаний німецьким вченим Адольфом Фиком в 1855 р. Назва цього терміна було утворено від латинського віддієслівного іменника diffusio (взаємодія, розсіювання, розповсюдження).

Дифузія в рідині

Даний процес може відбуватися з речовинами у всіх трьох агрегатних станах: газоподібному, рідкому і твердому. Щоб відшукати практичні приклади цього, варто просто заглянути на кухню. Вариться на плиті борщ – це один з них. Під дією температури молекули глюкозинбетанина (речовини, завдяки якому буряк володіє таким насиченим червоним кольором) рівномірно реагують з молекулами води, надаючи їй неповторний бордовий відтінок. Даний випадок - це приклад дифузії в рідинах. Крім борщу, даний процес можна побачити і в склянці чаю або кави. Обидва ці напою мають настільки рівномірний насичений відтінок завдяки тому, що заварка або частинки кави, розчиняючись у воді, рівномірно розповсюджуються між її молекулами, фарбуючи її. На цьому ж принципі побудовано дію всіх популярних розчинних напоїв дев'яностих: Yupi, Invite, Zuko.

Взаємопроникнення газів

Продовжуючи далі шукати прояви даного процесу на кухні, варто принюхатися і насолодитися приємним ароматом, що походить від букети свіжих квітів на обідньому столі. Чому так відбувається? Атоми і молекули, що переносять запах, знаходяться в активному русі і внаслідок нього перемішуються з частинками, що вже містяться в повітрі, і досить рівномірно розсіюються в об'ємі приміщення. Це прояв дифузії в газах. Варто відзначити, що саме вдихання повітря теж відноситься до розглянутого процесу, як і апетитний запах свіжозвареної борщу на кухні.

Дифузія в твердих тілах

Кухонний стіл, на якому стоять квіти, застелений скатертиною яскравого жовтого кольору. Подібний відтінок вона отримала завдяки здатності дифузії проходити в твердих тілах. Сам процес надання полотну якогось рівномірного відтінку проходить у кілька етапів наступним чином.

Частинки жовтого пігменту диффундировали в фарбувальної ємності по напрямку до волокнистому матеріалі.

Далі вони були увібрані зовнішньої офарблює поверхнею тканини.

Наступним кроком була знову дифузія барвника, але на цей раз вже всередину волокон полотна.

У фіналі тканина зафіксувала частинки пігменту, таким чином забарвлення.

Диффундировання газів у металах

Зазвичай, говорячи про цьому процесі, розглядають взаємодії речовин в однакових агрегатних станах. Наприклад, дифузія в твердих тілах, твердих речовинах. Для доказу цього явища проводиться дослід з двома притиснутими один до одного металевими пластинами (золото і свинець). Взаємопроникнення їх молекул відбувається досить довго (один міліметр за п'ять років). Цей процес використовується для виготовлення незвичайних прикрас.
Однак здатні дифундувати і з'єднання в різних агрегатних станах. Приміром, існує дифузія газів у твердих тілах. В процесі експериментів було доведено, що подібний процес протікає в атомарному стані. Для його активації, як правило, потрібно значно підвищення температури і тиску. Прикладом такої газової дифузії в твердих тілах є воднева корозія. Вона проявляється в ситуаціях, коли виникли в процесі якої-небудь хімічної реакції атоми водню (Н 2 під дією високих температур (від 200 до 650 градусів Цельсія) проникають між структурними частинками металу. Крім водню, дифузія в твердих тілах кисню та інших газів також здатна відбуватися. Цей непомітний оку процес приносить чимало шкоди, адже через нього можуть руйнуватися металеві споруди.

Диффундировання рідин в металах

Однак не тільки молекули газів можуть проникати тверді тіла, але і рідин. Як і у випадку з воднем, найчастіше такий процес призводить до корозії (якщо мова йде про металах). Класичним прикладом дифузії рідини в твердих тілах є корозія металів під впливом води (Н 2 О) або розчинів електролітів. Для більшості цей процес більш ознайомлений під назвою іржавіння. На відміну від водневої корозії, на практиці з ним доводиться стикатися значно частіше.

Умови прискорення дифузії. Коефіцієнт дифузії

Розібравшись з тим, у яких речовинах може відбуватися розглянутий процес, варто дізнатися про умови його протікання. В першу чергу швидкість дифузії залежить від того, в якому агрегатному стані перебувають взаємодіючі речовини. Чим більша щільність матеріалу, в якому відбувається реакція, тим повільніше її швидкість.
У зв'язку з цим дифузії в рідинах і газах завжди буде проходити більш активно, ніж у твердих тілах. Приміром, якщо кристали перманганату калію KMnO 4 ( марганцівка ) кинути у воду, вони протягом декількох хвилин додадуть їй гарного малиновий колір. Однак якщо посипати кристалами KMnO 4 шматочок льоду і покласти все це в морозилку, по закінченні декількох годин перманганат калію так і не зможе повноцінно пофарбувати заморожену Н 2 О. З попереднього прикладу можна зробити ще один висновок про умови дифузії. Крім агрегатного стану, на швидкість взаємопроникнення часток впливає також і температура. Щоб розглянути залежність від неї розглянутого процесу, варто дізнатися про таке поняття, як коефіцієнт дифузії. Так називається кількісна характеристика її швидкості. У більшості формул вона позначається за допомогою великої латинської літери D і в системі СІ вимірюється в квадратних метрах на секунду (м2/с), іноді - у сантиметрах за секунду (см 2 /м). Коефіцієнт дифузії дорівнює кількості речовини, рассеивающегося через одиницю поверхні протягом одиниці часу, за умови, що різниця густин на обох поверхнях (розташованих на відстані, рівній одиниці довжини, дорівнює одиниці. Критерії, що визначають D, – це властивості речовини, в якому відбувається сам процес розсіювання частинок, і їх тип. Залежність коефіцієнта від температури можна описати за допомогою рівняння Арреніуса: D = D 0exp (-E/TR). У розглянутій формулою Е – мінімальна енергія, необхідна для активації процесу; Т – температура (вимірюється у градусах кельвіна, а не Цельсієм); R – газова постійна, характерна для ідеального газу. Крім усього перерахованого вище, на швидкість дифузії в твердих тілах, рідини в газах впливає тиск і випромінювання (індукційне або високочастотне). Крім того, багато що залежить від наявності каталізує речовини, часто саме воно виступає у ролі пускового механізму для початку активного розсіювання частинок.

Рівняння дифузії

Дане явище - приватний вид диференціального рівняння при приватних похідних. Його мета - відшукати залежність концентрації речовини від розмірів і координат простору (в якому воно дифундує), а також часу. При цьому заданий коефіцієнт характеризує проникність середовища для реакції. Найчастіше рівняння дифузії записують наступним чином: ?? (r,t)/?t = ? x[D(П†,r) ∇ П† (r, t)]. У ньому ? (t і r) — щільність рассеивающегося речовини в точці r під час t. D (?, r) — дифузії узагальнений коефіцієнт при щільності ? в точці r. ? — векторний диференціальний оператор, компоненти якого за координатами відносяться до приватних похідних. Коли коефіцієнт дифузії залежить від щільності, рівняння є нелінійним. Коли немає — лінійним. Розглянувши визначення дифузії та особливості даного процесу в різних середовищах, можна зазначити, що він має як позитивні, так і негативні сторони.