Дифузія: причини, особливості процесу, приклади в природі

Визначення

Саме слово «дифузія» латинського походження – «diffusio» в перекладі з латині означає «поширення, розсіювання». У фізиці під дифузією мається на увазі процес взаємопроникнення мікрочастинок при зіткненні різних матеріалів. Академічне визначення того, що таке дифузія, звучить наступним чином: «Дифузія – це взаємне проникнення молекул однієї речовини в міжмолекулярні проміжки іншої речовини внаслідок їх хаотичного руху і зіткнення одна з одною». Які властивості дифузії, причини її виникнення, як проявляється цей процес в різних речовинах, про це читайте далі.

Причини

Причиною виникнення дифузії є тепловий рух частинок (атомів, молекул, іонів, тощо.)

Щоб більш детально зрозуміти, як працюють механізми дифузії, розглянемо це явище на конкретному прикладі. Якщо взяти перманганат калію (в народі більш відомий як марганцівка) (KMnO₄) і розчинити у воді (H₂O), то марганцівка в результаті дисоціації розпадеться на K+ і MnO₄-. Також важливо зауважити що молекула води поляризована і існує у вигляді зчеплених іонів H + -OH -.

Через розчинення марганцівки у воді відбудеться хаотичне переміщення іонів обох речовин, внаслідок чого зчеплені іони води поміняють свій колір і звільнять місце для інших, ще не реагуючих іонів. Вода поміняє своє забарвлення і отримає специфічні властивості. Між водою і марганцівкою здійсниться дифузія.

Ось так цей процес виглядає схематично.

Причому рухомі частинки під час дифузії, завжди поширюються рівномірно по всьому наданому обсягу. Сам процес дифузії займає певний час.

Також важливо знати, що явище дифузії відбувається далеко не з усіма речовинами. Наприклад, якщо воду перемішати не з марганцівкою, а з маслом, то дифузії між ними не буде, так як молекули масла електрично нейтральні. Утворенню з’єднання з молекулами води завадять сильні зв’язки всередині молекули масла.

Ще варто зауважити, що швидкість дифузії значно збільшиться при збільшенні температури, що цілком логічно, адже із збільшенням температури зросте швидкість руху частинок всередині речовини і, як наслідок, підвищується шанс їх проникнення в молекули іншої речовини.

Формула

Процес дифузії в двокомпонентній системі записується за допомогою закону Фіка, і відповідного рівняння:

У цьому рівнянні J – щільність матеріалу, D – коефіцієнт дифузії, а ac/dx – градієнт концентрації двох речовин.

Коефіцієнтом дифузії називають фізичну величину, яка чисельно дорівнює кількості дифузійної речовини, яка проникає за одиницю часу через одиницю поверхні, якщо різниця густин на двох поверхнях, які знаходяться на відстані, рівній одиниці довжини, дорівнює одиниці. Важливо зауважити, що коефіцієнт дифузії залежить від температури.

В твердих тілах

В твердих тілах дифузія відбувається дуже повільно, якщо взагалі відбувається. Адже для твердих тіл характерна наявність кристалічної решітки, а всі частинки розташовані впорядковано.

Прикладом дифузії твердих тіл може бути золото і свинець. Розташовані на відстань 1 метра одна від одної, при кімнатній температурі 20 С, ці речовини будуть потроху проникати одну в одну, але це буде все йти дуже повільно, подібна дифузія стане помітною не раніше ніж через 4-5 років.

В рідинах

Швидкість протікання дифузії в рідинах в рази вище, ніж у твердих тілах. Зв’язки між частинками в рідині набагато слабкіше (зазвичай їх енергії вистачає максимум на утворення крапель), і взаємному проникненню частинок в молекули двох речовин ніщо не заважає.

Правда те, як швидко проходитиме дифузія, залежить від характеру і консистенції рідин, в більш густих розчинах вона відбувається повільніше, адже чим густіше рідина, тим сильніші у неї зв’язки між молекулами і тим важче молекулам і частинками проникати одна в одну. Наприклад, змішування двох рідких металів може зайняти кілька годин, у той час як змішування води і марганцівки (з прикладу вище) здійснюється за хвилину.

В газах

Дифузія в газах відбувається ще швидше, ніж у рідини, зв’язки між частинками газоподібних речовин практично відсутні, і ніяк не зчеплені частинки легко перемішуються одна з одною, проникаючи в молекули інших газів. Невеликі корективи при дифузії газів може вносити хіба лише гравітація.

Приклади в навколишньому світі

Завдяки дифузії:

• підтримується однорідний склад атмосферного повітря поблизу поверхні нашої планети,
• відбувається живлення рослин,
• здійснюється дихання людини і тварин.

Важливий біологічний процес – фотосинтез здійснюється, в тому числі і за допомогою дифузії: як ми знаємо, завдяки енергії сонячного світла вода розкладається хлорофілами на складові, кисень, який виділяється при цьому, потрапляє в атмосферу і поглинається всіма живими організмами. Так от, і сам процес поглинання кисню людиною і тваринами, і обмін речовин у рослин, все це підтримується дифузією, без якої не могло б існувати саме Життя.

Але це в глобальному плані, в більш простих речах, ми можемо спостерігати дифузію:

• В саду, де квіти виділяють свій аромат завдяки дифузії (їх частинки перемішуються з частинками навколишнього повітря).
• Розчиняючи цукор в чаї або каві, чай або кава стає солодким завдяки дифузії.
• При різанні цибулі у вас почнуть сльозитися очі, відбувається це теж через дифузію, молекули цибулі змішуються з молекулами повітря і ваші очі на це реагують.

Таких прикладом можна наводити ще дуже багато.

Автор: Павло Чайка, головний редактор журналу Пізнавайка

При написанні статті намагався зробити її максимально цікавою, корисною та якісною. Буду вдячний за будь-який зворотний зв'язок та конструктивну критику у вигляді коментарів до статті. Також Ваше побажання/питання/пропозицію можете написати на мою пошту pavelchaika1983@gmail.com або у Фейсбук.

Сторінка про автора

Ця стаття доступна англійською мовою – Diffusion.