Fysiikan lukuisista ilmiöistä diffuusioprosessi on yksi yksinkertaisimmista ja ymmärrettävimmistä. Loppujen lopuksi joka aamu, valmistamalla itselleen tuoksuvaa teetä tai kahvia, henkilöllä on mahdollisuus tarkkailla tätä reaktiota käytännössä. Opitaan lisää tästä prosessista ja sen esiintymisen edellytyksistä eri aggregaattitiloissa.
Mikä on diffuusio
Tämä sana viittaa yhden aineen molekyylien tai atomien tunkeutumiseen toisen aineen samanlaisten rakenneyksiköiden väliin. Tässä tapauksessa tunkeutuvien yhdisteiden pitoisuus tasoittuu.
Tämän prosessin kuvasi ensimmäisen kerran yksityiskohtaisesti saksalainen tiedemies Adolf Fick vuonna 1855
Tämän termin nimi on muodostettu latinan sanasta diffusio (vuorovaikutus, hajonta, leviäminen).
Diffuusio nesteessä
Tarkasteltavana oleva prosessi voi tapahtua aineilla, jotka ovat kaikissa kolmessa aggregaatiotilassa: kaasumaisessa, nestemäisessä ja kiinteässä. Käytännön esimerkkejä tästä, katso vainkeittiö.
Liedellä keitetty borssi on yksi niistä. Lämpötilan vaikutuksesta glukosiinibetaniinin (aine, jonka vuoksi punajuurilla on niin rikas helakanpunainen väri) molekyylit reagoivat tasaisesti vesimolekyylien kanssa antaen sille ainutlaatuisen viininpunaisen sävyn. Tämä tapaus on esimerkki diffuusiosta nesteissä.
Borschtin lisäksi tämä prosessi näkyy myös lasissa teetä tai kahvia. Molemmilla näistä juomista on niin yhtenäinen rikas sävy, koska teelehdet tai kahvihiukkaset, jotka liukenevat veteen, leviävät tasaisesti molekyylien välillä värittäen sitä. Kaikkien 1990-luvun suosittujen pikajuomien toiminta rakentuu samalle periaatteelle: Yupi, Invite, Zuko.
Kaasujen tunkeutuminen
Kun jatketaan keittiön prosessin ilmenemismuotojen etsimistä, kannattaa haistella ja nauttia ruokapöydän tuoreista kukkakimpuista tulevasta miellyttävästä tuoksusta. Miksi näin tapahtuu?
Hajua kuljettavat atomit ja molekyylit ovat aktiivisessa liikkeessä ja sen seurauksena sekoittuvat ilmassa jo olevien hiukkasten kanssa ja jakautuvat melko tasaisesti huoneen tilavuuteen.
Tämä on kaasujen diffuusion ilmentymä. On syytä huomata, että myös itse ilman hengittäminen kuuluu tarkasteltavana olevaan prosessiin, samoin kuin vastakeitetyn borssin herkullinen tuoksu keittiössä.
Diffuusio kiintoaineissa
Kukkainen keittiöpöytä on peitetty kirkkaankeltaisella pöytäliinalla. Hän sai samanlaisen sävyn kiitosdiffuusion kyky kulkea kiinteiden aineiden läpi.
Prosessi, jolla kankaalle saadaan yhtenäinen sävy, tapahtuu useissa vaiheissa seuraavasti.
- Keltaisen pigmentin hiukkaset levinneet mustesäiliössä kohti kuitumateriaalia.
- Ne imeytyivät sitten värjätyn kankaan ulkopintaan.
- Seuraava vaihe oli taas väriaineen levittäminen, mutta tällä kertaa rainan kuituihin.
- Lopussa kangas kiinnitti pigmenttihiukkaset ja muuttui värilliseksi.
Kaasujen diffuusio metalleissa
Yleensä tästä prosessista puhuttaessa harkitaan samassa aggregaatiotilassa olevien aineiden vuorovaikutusta. Esimerkiksi diffuusio kiintoaineissa, kiinteät aineet. Tämän ilmiön todistamiseksi suoritetaan koe kahdella metallilevyllä, jotka painetaan toisiaan vasten (kulta ja lyijy). Niiden molekyylien tunkeutuminen yhteen kestää melko pitkän ajan (yksi millimetri viidessä vuodessa). Tätä prosessia käytetään epätavallisten korujen valmistukseen.
Eri aggregaattitilassa olevat yhdisteet voivat kuitenkin myös diffuusoitua. Esimerkiksi kiinteissä aineissa tapahtuu kaasujen diffuusiota.
Kokeiden aikana osoitettiin, että tällainen prosessi tapahtuu atomitilassa. Sen aktivoimiseksi tarvitset yleensä lämpötilan ja paineen huomattavan nousun.
Esimerkki tällaisesta kaasudiffuusiosta kiintoaineissa on vetykorroosio. Se ilmenee tilanteissa, joissaVetyatomit (Н2), jotka ovat syntyneet jonkin kemiallisen reaktion aikana korkeiden lämpötilojen (200 - 650 celsiusastetta) vaikutuksesta, tunkeutuvat metallin rakenteellisten hiukkasten väliin.
Vedyn lisäksi kiinteissä aineissa voi tapahtua myös hapen ja muiden kaasujen diffuusiota. Tämä silmälle huomaamaton prosessi tekee paljon haittaa, koska metallirakenteet voivat romahtaa sen takia.
nesteiden diffuusio metalleissa
Kaasumolekyylit eivät kuitenkaan pysty tunkeutumaan kiinteisiin aineisiin, vaan myös nesteisiin. Kuten vedyn tapauksessa, tämä prosessi johtaa useimmiten korroosioon (mitä tulee metalliin).
Klassinen esimerkki nesteiden diffuusiosta kiinteissä aineissa on metallien korroosio veden (H2O) tai elektrolyyttiliuosten vaikutuksesta. Useimmille tämä prosessi on tutumpi ruostumisen nimellä. Toisin kuin vetykorroosio, käytännössä sitä joutuu kohdatmaan paljon useammin.
Edellytykset diffuusion kiihdyttämiselle. Diffuusiokerroin
Kun on käsitelty aineita, joissa kyseessä oleva prosessi voi tapahtua, kannattaa tutustua sen esiintymisen edellytyksiin.
Ensinnäkin diffuusion nopeus riippuu vuorovaikutuksessa olevien aineiden aggregaattitilasta. Mitä suurempi on materiaalin tiheys, jossa reaktio tapahtuu, sitä hitaampi sen nopeus.
Tässä suhteessa diffuusio nesteissä ja kaasuissa on aina aktiivisempaa kuin kiinteissä aineissa.
Esimerkiksi jos kiteetkaliumpermanganaatti KMnO4 (kaliumpermanganaatti) veteen, ne antavat sille kauniin vadelman värin muutamassa minuutissa Väri. Jos kuitenkin ripottelet jääpalalle KMnO4 kiteitä ja laitat ne kaikki pakastimeen, muutaman tunnin kuluttua kaliumpermanganaatti ei pysty värjäämään jäätynyttä H 2O.
Edellisestä esimerkistä voidaan tehdä vielä yksi johtopäätös diffuusio-olosuhteista. Aggregaatiotilan lisäksi lämpötila vaikuttaa myös hiukkasten tunkeutumisnopeuteen.
Jotta tarkastellaan tarkasteltavan prosessin riippuvuutta siitä, kannattaa tutustua sellaiseen käsitteeseen kuin diffuusiokerroin. Tämä on sen nopeuden kvantitatiivisen ominaisuuden nimi.
Useimmissa kaavoissa se on merkitty isolla latinalaiskirjaimella D ja SI-järjestelmässä se mitataan neliömetrinä sekunnissa (m² / s), joskus senttimetreinä sekunnissa (cm2 /m).
Diffuusiokerroin on yhtä suuri kuin ainemäärä, joka on sironnut yksikköpinnan läpi aikayksikön aikana, edellyttäen, että tiheysero molemmilla pinnoilla (sijaitsee yksikköpituutta vastaavalla etäisyydellä) on yhtä suuri. Kriteerit, jotka määrittävät D:n, ovat sen aineen ominaisuudet, jossa itse hiukkassirontaprosessi tapahtuu, ja niiden tyyppi.
Kertoimen riippuvuutta lämpötilasta voidaan kuvata Arrhenius-yhtälön avulla: D=D0exp(-E/TR).
Tarkastetussa kaavassa E on vähimmäisenergia, joka tarvitaan prosessin aktivoimiseen; T - lämpötila (mitattu kelvineinä, ei Celsiusina); R-ihanteellisen kaasun kaasuvakioominaisuus.
Kaiken edellä mainitun lisäksi diffuusionopeuteen kiinteissä aineissa ja nesteissä kaasuissa vaikuttavat paine ja säteily (induktiivinen tai suurtaajuus). Lisäksi paljon riippuu katalyyttisen aineen läsnäolosta, usein se laukaisee hiukkasten aktiivisen dispersion.
Diffuusioyhtälö
Tämä ilmiö on osittaisen differentiaaliyhtälön erityinen muoto.
Sen tavoitteena on löytää aineen pitoisuuden riippuvuus tilan koosta ja koordinaateista (jossa se diffundoituu) sekä ajasta. Tässä tapauksessa annettu kerroin kuvaa reaktion väliaineen läpäisevyyttä.
Diffuusioyhtälö kirjoitetaan useimmiten seuraavasti: ∂φ (r, t)/∂t=∇ x [D(φ, r) ∇ φ (r, t)].
Siinä φ (t ja r) on sirottavan aineen tiheys pisteessä r hetkellä t. D (φ, r) - yleinen diffuusiokerroin tiheydellä φ pisteessä r.
∇ - vektoridifferentiaalioperaattori, jonka komponentit ovat koordinaattien osittaisia derivaattoja.
Kun diffuusiokerroin on riippuvainen tiheydestä, yhtälö on epälineaarinen. Kun ei - lineaarinen.
Kun otetaan huomioon diffuusion määritelmä ja tämän prosessin piirteet eri ympäristöissä, voidaan todeta, että sillä on sekä positiivisia että negatiivisia puolia.
