Difúze pevných látek, kapalin a plynů: definice, podmínky

Mezi mnoha jevy ve fyzice je difúzní proces jedním z nejjednodušších a nejrozumnějších. Po každé ráno, připravte si vůni čaju nebo kávy, člověk má možnost tuto reakci pozorovat v praxi. Podívejme se více na tento proces a jeho podmínky v různých souhrnných stavech.

Co je difúze?

Toto slovo se týká proniknutí molekul nebo atomů jedné látky mezi podobné strukturní jednotky jiné. Koncentrace pronikajících sloučenin je vyrovnávána.

Tento proces poprvé podrobně popsal německý vědec Adolf Fick v roce 1855.

Název tohoto výrazu byl odvozen z latinského verbálního podstatného jména diffusio (interakce, difúze, šíření).

Difúze v kapalině

Posuzovaný proces se může objevit u látek ve všech třech agregovaných stavech: plynných, kapalných a pevných. Chcete-li najít praktické příklady toho, je to jen podívat se do kuchyně.

Borshch na sporáku je jedním z nich. Pod vlivem teploty molekuly glukosinu betaninu (látky, díky níž má řepa takovou nasycenou šarlatovou barvu), reaguje rovnoměrně s molekulami vody a dodává jí jedinečný vínový odstín. Tento případ je příkladem difúze v kapalinách.

Kromě boršů lze tento proces pozorovat i ve sklenici čaje nebo kávy. Oba tyto nápoje jsou tak rovnoměrně nasycené stín, protože svařování nebo částice kávy, rozpouštějící se ve vodě, rovnoměrně rozložené mezi molekulami, je obarví. Na stejném principu byla postavena akce všech populárních okamžitých nápojů devadesátých let: Yupi, Invite, Zuko.

Interakce plynů

Pokračující hledat další projevy procesu v kuchyni, stojí za to čichat a užívat si příjemné vůně pocházející z kytice čerstvých květin na jídelním stole. Proč se to děje?

Atomy a molekuly, které nesou zápach, jsou v aktivním pohybu a výsledkem je, že jsou smíchány s částicemi, které jsou již obsaženy ve vzduchu, a rozptýlí se poměrně rovnoměrně v objemu místnosti.

To je projev difúze plynů. Stojí za zmínku, že i samotné vdechnutí vzduchu se týká dotyčného procesu, stejně jako chutná vůně čerstvě připraveného boršče v kuchyni.

Difúze pevných látek

Kuchyňský stůl, na kterém jsou květiny, je položen s ubrusem jasně žluté barvy. Tento odstín byl získán v důsledku difúzní schopnosti projít pevnými látkami.

Samotný proces dávání plátna stejnoměrným odstínem prochází v několika etapách následovně.

1. Části žlutého pigmentu difundují do barvící nádoby směrem k vláknitému materiálu.
2. Dále byly absorbovány vnějším povrchem barvené tkáně.
3. Dalším krokem byla opět difúze barviva, ale tentokrát již uvnitř vláken plátna.
4. Ve finále tkáň fixovala pigmentové částice, čímž se zbarvila.

Difúze plynů v kovu

Obvykle, když mluvíme o tomto procesu, zvažujeme interakce látek ve stejných agregovaných stavech. Například difúze v pevných látkách, pevných látkách. Pro dokázání tohoto jevu se provádí experiment se dvěma kovovými deskami stlačenými dohromady (zlato a olovo). Interakce molekul trvá poměrně dlouho (jeden milimetr za pět let). Tento proces se používá k vytváření neobvyklých ozdob.

Sloučeniny však mohou také difundovat v různých agregátních stavech. Například dochází k difuzi plynů v pevných látkách.

Během experimentů bylo prokázáno, že takový proces probíhá v atomovém stavu. Chcete-li jej aktivovat, zpravidla potřebujete výrazné zvýšení teploty a tlaku.

Příkladem takové difúze plynů v pevné látce je vodíková koroze. To se projevuje v situacích, kdy atomy vodíku vznikající v průběhu chemické reakce (H.₂) pod vlivem vysokých teplot (od 200 do 650 stupňů Celsia) pronikají mezi strukturní částice kovu.

Vedle vodíku se může vyskytovat také difúze kyslíku a jiných plynů v tuhých látkách. Tento nepozorovatelný proces přináší mnoho škod, protože může rozdrtit kovové struktury.

Difúze kapalin v kovu

Nicméně nejen molekuly plynů mohou proniknout do pevných látek, ale také do kapalin. Stejně jako v případě vodíku, nejčastěji tento proces vede k korozi (pokud jde o kovy). Klasickým příkladem difúze tekutin v pevných látkách je korozní účinek kovů působením vody (H.₂O) nebo roztoky elektrolytů. Pro většinu je tento proces známější pod názvem rez. Na rozdíl od vodíkové koroze je v praxi třeba s ním mnohem častěji srazit.

Podmínky pro zrychlení šíření. Koeficient difúze

Pokud se zabýváme látkami, ve kterých může dojít k uvažovanému procesu, stojí za to se dozvědět o podmínkách jeho toku.

Zaprvé, rychlost difuze závisí na stavu agregačního stavu interakčních látek. Více hustota materiálu, ve kterém dochází k reakci, pomalejší je její rychlost.

V této souvislosti bude difúze v kapalinách a plynech vždy procházet aktivnějším způsobem než u pevných látek.

Například pokud jsou krystaly KMnO manganistan draselný_{4 (}manganistan draselný_). hodí do vody, dá jí během několika minut nádhernou karmínovou barvu. Nicméně pokud je posypáno KMnO krystaly₄ kus ledu a dát vše do mrazáku, po několika hodinách manganistan draselný nemůže úplně zabarvit zmrazené H₂O.

Z předchozího příkladu můžeme vyvodit další závěr o difúzních podmínkách. Kromě agregátního stavu je rychlost interpenetrace částic také ovlivněna teplotou.

Abychom zvážili závislost na zvažovaném procesu, stojí za to se naučit o takové koncepci jako koeficient difúze. Toto je název kvantitativní charakteristiky jeho rychlosti.

Ve většině vzorců je označen velkým latinským písmenem D a v systému SI je měřeno v metrech čtverečních za sekundu (m² / s), někdy v centimetrech za sekundu (cm²/ m).

Koeficient difúze se rovná množství látky rozptylujícímu jednotku povrchu za jednotku času za předpokladu, že rozdíl v hustotách na obou površích (umístěný ve vzdálenosti rovnající se délce jednotky) se rovná jednotce. Kritéria, která určují D, jsou vlastnosti látky, ve které dochází k rozptylu částic a jejich typu.

Závislost koeficientu na teplotě lze popsat pomocí Arrheniovy rovnice: D = D_0exp(-E / TR).

Ve vzorci se uvažuje, že E je minimální energie potřebná pro aktivaci procesu - T je teplota (měřená Kelvinem, necelosem) - R je konstantní plyn charakteristický pro ideální plyn.

Navíc ke všem výše uvedeným je rychlost difúze v tuhých látkách, kapalinách v plynech ovlivněna tlakem a zářením (indukční nebo vysokofrekvenční). Navíc hodně závisí na přítomnosti katalytického činidla, často působí jako spouštěcí mechanismus pro iniciaci aktivní disperze částic.

Difuzní rovnice

Tento jev je zvláštní formou diferenciální rovnice pro dílčí deriváty.

Jejím cílem je nalézt závislost koncentrace hmoty na rozměrech a souřadnicích prostoru (ve kterém se rozptyluje), stejně jako čas. Uvedený koeficient charakterizuje propustnost média pro reakci.

Nejčastěji je rovnice difúze zapsána následovně: část-phi- (r, t) / část-t = nabla-x [D (phi-, r) nabla- phi (r, t)].

V tom ph- (t a r) je hustota rozptýlené látky v bodě r v čase t. D (phi-, r) -diffusion je generalizovaný koeficient při hustotě phi v bodě r.

nabla- je vektorový diferenciální operátor, jehož komponenty se vztahují k dílčím derivátům vzhledem k souřadnicím.

Když difuzní koeficient závisí na hustotě, rovnice je nelineární. Pokud není lineární.

Po zvážení definice difúze a vlastností tohoto procesu v různých médiích lze poznamenat, že má pozitivní i negativní stránky.