Van de vele verschijnselen in de natuurkunde is het diffusieproces een van de eenvoudigste en meest begrijpelijke. Immers, elke ochtend, terwijl hij geurige thee of koffie bereidt, heeft een persoon de mogelijkheid om deze reactie in de praktijk te observeren. Laten we meer te weten komen over dit proces en de voorwaarden voor het optreden ervan in verschillende geaggregeerde toestanden.
Wat is diffusie
Dit woord verwijst naar de penetratie van moleculen of atomen van de ene stof tussen vergelijkbare structurele eenheden van een andere. In dit geval wordt de concentratie van doordringende verbindingen genivelleerd.
Dit proces werd voor het eerst in detail beschreven door de Duitse wetenschapper Adolf Fick in 1855
De naam van deze term is afgeleid van het Latijnse werkwoord diffusio (interactie, dispersie, distributie).
Diffusie in een vloeistof
Het betreffende proces kan plaatsvinden met stoffen in alle drie de aggregatietoestanden: gasvormig, vloeibaar en vast. Kijk voor praktische voorbeelden hiervan opkeuken.
Stove-gekookte borsjt is er een van. Onder invloed van temperatuur reageren de moleculen van glucosine betanine (een stof waardoor de bieten zo'n rijke scharlakenrode kleur hebben) gelijkmatig met watermoleculen, waardoor het een unieke bordeauxrode tint krijgt. Dit geval is een voorbeeld van diffusie in vloeistoffen.
Naast borsjt is dit proces ook te zien in een glas thee of koffie. Beide dranken hebben zo'n uniforme, rijke tint vanwege het feit dat theebladeren of koffiedeeltjes, die in water oplossen, zich gelijkmatig tussen de moleculen verspreiden en kleuren. De actie van alle populaire instantdrankjes van de jaren negentig is gebaseerd op hetzelfde principe: Yupi, Invite, Zuko.
Interpenetratie van gassen
Verder zoeken naar manifestaties van het proces in kwestie in de keuken, is het de moeite waard om te snuffelen en te genieten van het aangename aroma dat afkomstig is van een boeket verse bloemen op de eettafel. Waarom gebeurt dit?
Reukdragende atomen en moleculen zijn in actieve beweging en worden daardoor vermengd met deeltjes die al in de lucht zijn, en zijn redelijk gelijkmatig verspreid in het volume van de kamer.
Dit is een manifestatie van diffusie in gassen. Het is vermeldenswaard dat het inademen van lucht ook tot het beschouwde proces behoort, evenals de smakelijke geur van vers gekookte borsjt in de keuken.
Diffusie in vaste stoffen
De keukentafel met bloemen is bedekt met een knalgeel tafelkleed. Ze kreeg een vergelijkbare tint dankzijhet vermogen van diffusie om door vaste stoffen te gaan.
Het proces om het canvas een uniforme schaduw te geven, vindt als volgt plaats in verschillende fasen.
- Gele pigmentdeeltjes verspreidden zich in de inkttank naar het vezelige materiaal.
- Ze werden vervolgens geabsorbeerd door het buitenoppervlak van de geverfde stof.
- De volgende stap was opnieuw om de kleurstof te diffunderen, maar deze keer in de vezels van het web.
- In de finale fixeerde de stof de pigmentdeeltjes en werd zo gekleurd.
Diffusie van gassen in metalen
Als je het over dit proces hebt, denk dan eens aan de interactie van stoffen in dezelfde staat van aggregatie. Bijvoorbeeld diffusie in vaste stoffen, vaste stoffen. Om dit fenomeen aan te tonen, wordt een experiment uitgevoerd met twee metalen platen tegen elkaar gedrukt (goud en lood). De interpenetratie van hun moleculen duurt vrij lang (één millimeter in vijf jaar). Dit proces wordt gebruikt om ongebruikelijke sieraden te maken.
Verbindingen in verschillende aggregaattoestanden kunnen echter ook diffunderen. Er is bijvoorbeeld diffusie van gassen in vaste stoffen.
Tijdens de experimenten werd bewezen dat een dergelijk proces plaatsvindt in de atomaire toestand. Om het te activeren, hebt u in de regel een aanzienlijke verhoging van temperatuur en druk nodig.
Een voorbeeld van een dergelijke gasdiffusie in vaste stoffen is waterstofcorrosie. Het manifesteert zich in situaties waarin:Waterstofatomen (Н2) die zijn ontstaan in de loop van een chemische reactie onder invloed van hoge temperaturen (van 200 tot 650 graden Celsius) dringen tussen de structurele deeltjes van het metaal door.
Naast waterstof kan in vaste stoffen ook diffusie van zuurstof en andere gassen optreden. Dit proces, niet waarneembaar voor het oog, richt veel schade aan, omdat metalen constructies hierdoor kunnen instorten.
Diffusie van vloeistoffen in metalen
Niet alleen gasmoleculen kunnen echter doordringen in vaste stoffen, maar ook in vloeistoffen. Net als bij waterstof leidt dit proces meestal tot corrosie (als het om metalen gaat).
Een klassiek voorbeeld van vloeistofdiffusie in vaste stoffen is de corrosie van metalen onder invloed van water (H2O) of elektrolytoplossingen. Voor de meesten is dit proces meer bekend onder de naam roesten. In tegenstelling tot waterstofcorrosie komt het in de praktijk veel vaker voor.
Voorwaarden voor het versnellen van diffusie. Diffusiecoëfficiënt
Nadat we de stoffen hebben behandeld waarin het proces in kwestie kan plaatsvinden, is het de moeite waard om meer te weten te komen over de voorwaarden voor het optreden ervan.
Allereerst hangt de diffusiesnelheid af van de geaggregeerde toestand van de interagerende stoffen. Hoe groter de dichtheid van het materiaal waarin de reactie plaatsvindt, hoe langzamer de snelheid.
In dit opzicht zal diffusie in vloeistoffen en gassen altijd actiever zijn dan in vaste stoffen.
Bijvoorbeeld, als de kristallenkaliumpermanganaat KMnO4 (kaliumpermanganaat) gooi het in het water, dan krijgt het een mooie frambozenkleur in een paar minuten Kleur. Als u echter kristallen van KMnO4 op een stuk ijs sprenkelt en alles in de vriezer legt, zal kaliumpermanganaat na een paar uur de bevroren H niet volledig kunnen kleuren 2O.
Uit het vorige voorbeeld kan nog een conclusie worden getrokken over de diffusiecondities. Naast de aggregatietoestand heeft de temperatuur ook invloed op de interpenetratiesnelheid van deeltjes.
Om de afhankelijkheid van het beschouwde proces ervan te overwegen, is het de moeite waard om over een concept als de diffusiecoëfficiënt te leren. Dit is de naam van het kwantitatieve kenmerk van zijn snelheid.
In de meeste formules wordt het aangegeven met een Latijnse hoofdletter D en in het SI-systeem wordt het gemeten in vierkante meters per seconde (m² / s), soms in centimeters per seconde (cm2 /m).
De diffusiecoëfficiënt is gelijk aan de hoeveelheid materie die over een tijdseenheid door een eenheidsoppervlak wordt verspreid, op voorwaarde dat het dichtheidsverschil op beide oppervlakken (op een afstand gelijk aan een eenheidslengte) gelijk is aan één. De criteria die D bepalen, zijn de eigenschappen van de stof waarin het deeltjesverstrooiingsproces zelf plaatsvindt, en hun type.
De afhankelijkheid van de coëfficiënt van temperatuur kan worden beschreven met behulp van de Arrhenius-vergelijking: D=D0exp(-E/TR).
In de beschouwde formule is E de minimale energie die nodig is om het proces te activeren; T - temperatuur (gemeten in Kelvin, niet in Celsius); R-gasconstante karakteristiek van een ideaal gas.
Naast al het bovenstaande wordt de diffusiesnelheid in vaste stoffen, vloeistoffen in gassen beïnvloed door druk en straling (inductief of hoogfrequent). Bovendien hangt veel af van de aanwezigheid van een katalytische stof, vaak fungeert het als een trigger voor het starten van actieve dispersie van deeltjes.
Diffusievergelijking
Dit fenomeen is een bijzondere vorm van de partiële differentiaalvergelijking.
Het doel is om de afhankelijkheid van de concentratie van een stof te vinden van de grootte en coördinaten van de ruimte (waarin het diffundeert), evenals van de tijd. In dit geval kenmerkt de gegeven coëfficiënt de permeabiliteit van het medium voor de reactie.
Meestal wordt de diffusievergelijking als volgt geschreven: ∂φ (r, t)/∂t=∇ x [D(φ, r) ∇ φ (r, t)].
Daarin is φ (t en r) de dichtheid van de verstrooiende stof op punt r op tijdstip t. D (φ, r) - gegeneraliseerde diffusiecoëfficiënt bij dichtheid φ op punt r.
∇ - vector differentiaaloperator waarvan de componenten partiële afgeleiden zijn in coördinaten.
Als de diffusiecoëfficiënt dichtheidsafhankelijk is, is de vergelijking niet-lineair. Wanneer niet - lineair.
Na de definitie van diffusie en de kenmerken van dit proces in verschillende omgevingen te hebben overwogen, kan worden opgemerkt dat het zowel positieve als negatieve kanten heeft.
