Difuzija: kaj je, primeri in dejavniki hitrosti

Difuzija — kaj je, praktični primeri in kateri dejavniki (temperatura, koncentracijski gradient, površina, razdalja) vplivajo na hitrost; jedrn in uporabno za študij in prakso.

Difuzija je proces, pri katerem se molekule snovi premikajo z območja z visoko koncentracijo (kjer je veliko molekul) na območje z nizko koncentracijo (kjer je manj molekul), dokler se ne doseže ravnovesje (molekule so enakomerno porazdeljene). Gre za posledico naključnega termičnega gibanja delcev in v ravnotežnem stanju vodi k izenačitvi koncentracij.

Difuzija poteka v plinih in tekočinah, pojav pa je možen tudi v trdnih snoveh in skozi biološke membrane. V plinih in tekočinah je gibanje delcev hitro in opazno, v trdnih snoveh pa atomska ali ionska difuzija običajno poteka počasneje, a ima velik pomen v materialih (npr. legiranje kovin). Difuzija se razlikuje od pretoka (advekcije), saj je advekcija rezultat usmerjenega gibanja snovi znotraj toka, medtem ko je difuzija posledica naključnega gibanja delcev.

Vsebina

• Primeri
• Hitrost difuzije in dejavniki
• Površina in prostornina
• Sorodne strani
• Reference

Primeri

• V čaši z vodo nekaj časa pustimo kocko sladkorja — sladkor se postopoma raztopi in razprši po vodi.
• Vonj po amoniaku se širi od sprednjega do zadnjega dela učilnice.
• Ko odstranite pokrovček, se iz stekleničke dvignejo hlapi parfuma in se postopoma širijo po prostoru.
• Barvilo za hrano, ki pade na čašo, se razprši po vodi.
• Vonj po hrani se razširi po vsej hiši, tudi če ni pretoka zraka.

Molekule se običajno premikajo z mest z visoko koncentracijo na mesta z nizko koncentracijo samo z naključnim gibanjem. Na primer, v pljučih je več kisika kot v krvi, zato se bodo molekule kisika premikale v kri. Podobno je v krvi več molekul ogljikovega dioksida kot v pljučih, zato se bodo molekule ogljikovega dioksida premikale v pljuča. To se dogaja v celični biologiji, kjer majhne molekule preprosto difundirajo skozi celično membrano, večje molekule pa se skozi njo prebijejo le z uporabo energije: glej aktivni transport.

Zaradi naključnega gibanja se molekule tekočine širijo, dokler jih ne ustavi meja ali dokler koncentracije ne postanejo enake. Difuzija je pasivni proces, zato ne potrebuje dodatne energije, saj poteka po koncentracijskem gradientu (od višje proti nižji koncentraciji).

Hitrost difuzije in dejavniki

Hitrost difuzije določa več dejavnikov. Osnovno kvantitativno merilo je difuzijski koeficient D (enota m2/s), ki opisuje, kako hitro se snov razprši v določenem mediju. Časovno merilo difuzije na razdalji x je približno

t ≈ x2 / (2D),

kar pomeni, da se čas difuzije zelo poveča z razdaljo (kvadratično odvisno).

Glavni dejavniki, ki vplivajo na hitrost difuzije:

• Koncentracijski gradient - večji gradient daje večji neto tok difuzije (Fickov prvi zakon: J = -D · (dc/dx)).
• Temperatura - pri višjih temperaturah imajo delci več kinetične energije, zato je difuzija hitrejša (D narašča z T).
• Velikost in masa delcev - manjše in lažje molekule difundirajo hitreje kot velike molekule ali delci.
• Viskoznost in narava medija - v gostejšem ali bolj viskoznem mediju je gibanje upočasnjeno, D je manjši.
• Površina - večja kontaktna površina med dvema fazama poveča skupni tok snovi, zato je difuzija učinkovitejša pri večji površini.
• Difuzijska razdalja - kratka razdalja pomeni hitrejšo izmenjavo; pri večjih razdaljah je difuzija zelo počasna.
• Prepustnost in poroznost - v membranah in poroznih materialih igrajo vlogo prehodi in velikost por; prisotnost oviro ali adsorpcije na površinah zmanjša učinkovitost.
• Konvekcija in mešanje - gibanje tekočine ali plina (advekcija, mešanje) lahko bistveno pospeši prenos snovi, vendar gre takrat za kombinacijo difuzije in transporta s tokom.

Fickov drugi zakon opisuje časovno odvisnost razporeditve koncentracije in je pomemben pri reševanju konkretnih nalog o difuziji v prostoru in času.

Površina in prostornina

V majhnih enoceličnih organizmih lahko preprosta difuzija dovolj hitro izmenjuje molekule, da jih ohranja pri življenju. Pri tem pomaga veliko razmerje med površino in prostornino — majhna celica ima veliko površine glede na volumen, kar omogoča učinkovito izmenjavo snovi.

Vendar za večcelične organizme preprosta difuzija ne zadostuje za prenos snovi na daljše razdalje. Da bi ostali živi, morajo premikati več snovi na daljše razdalje, zato so se razvili specializirani sistemi in notranje strukture za učinkovit transport. Ljudje imajo na primer pljuča, ki omogočajo hitro difuzijo kisika v kri in izmenjavo plinov. Enako se dogaja pri rastlinah z listi, kjer je velika površina v stiku z atmosfero za izmenjavo plinov.

Uporabe in meritve

Difuzija je ključna v številnih procesih in tehnologijah: v biologiji (difuzija snovi v celicah in med njimi), kemiji (mešanje reagentov), tehniki (difuzija v polprevodnikih, legiranje), farmaciji (sproščanje zdravil), okolju (širjenje onesnaževal), ter pri pripravi in okusu hrane. Meritve difuzijskih koeficientov potekajo z metodami, kot so sledenje tracerjev, NMR, hitri fotobleaching (FRAP) ipd.

Na kratko: difuzija je osnovni in povsod prisoten proces prenosa snovi, ki ga povzroča naključno gibanje delcev, njegova hitrost pa je odvisna od lastnosti delcev, medija in geometrije sistema.

Vprašanja in odgovori

V: Kaj je difuzija?

V: V katerih vrstah materialov običajno poteka difuzija?

V: Kako lahko opazujemo difuzijo?

V: Kaj opisuje difuzija?

V: Ali obstaja kakšna posebna smer, v katero se gibljejo delci med difuzijo?

V: Ali se gibanje delcev ustavi, ko dosežejo ravnovesje?

V: Ali so pri tem procesu kakšne izjeme?

Išči po črki