Диффузия - причины, особенности протекания процесса и примеры

Понятие «диффузия» (латинское «diffusio» означает «распространение», «рассеивание») подразумевает процесс взаимопроникновения микрочастиц различных материалов при контакте. 

В разной степени явление наблюдается при любом агрегатном состоянии веществ.

Но определение никак не объясняет суть феномена. Рассмотрим подробнее.

Что такое диффузия, причины возникновения

Диффузия не предполагает дополнительных усилий со стороны наблюдателя. Возникает из-за теплового движения частиц. Не путайте с броуновским: это частный случай, наглядный эксперимент.

Рассмотрим упрощенно физику и химию растворения перманганата калия (KMnO₄) в воде (H₂O). Молекула воды поляризована, существует в виде «сцепленных» ионов H+ - OH-. Марганцовка в результате диссоциации распадается на K+ и MnO₄-.

В результате хаотического перемещения поменявшие цвет связанные ионы освободят место для еще не реагировавших. Все признаки реакции налицо: вода меняет окрас и приобретает специфические свойства.

И еще одна особенность: случайно движущиеся элементы без затрат извне распределятся по предоставленному объему равномерно. Это следует из законов математической статистики и стремления веществ к выравниванию химического потенциала. Процесс не будет быстрым. Но можно не надеяться на диффузию и перемешать.

А вот с маслом и субстанциями аналогичного класса подобный фокус не пройдет. Его молекулы электрически нейтральны, и образованию какого-то соединения с водой помешают сильные связи в ней. Последнее, кстати, обуславливает значительное поверхностное натяжение. Иначе водомерки не могли бы ходить по поверхности, а утки перетонули.

Из теории очевидно, что процесс протекает быстрее при увеличении температуры (движение активнее). Также на перенос веществ повлияет их концентрация. Примерно так выглядит формула уравнения Фика для количественной характеристики в газах и слабых растворах:

где J – плотность потока материала;

D – зависящий от температуры коэффициент диффузии;

dc|dx – градиент концентрации.

Диффузия в твердых телах

Для таких субстанций характерно наличие кристаллической решетки, частицы располагаются упорядоченно. Обменный материал зависит от типа связи. Не слишком активны.

Виды связей рассмотрим отдельно:

1. Ионные (соли активных (щелочных) металлов, гидроксиды). Малолетучи, охотно диффундируют из расплавов, растворов. Яркий представитель – поваренная соль (NaCl). Если разместить в воде, не подогревать, не перемешивать, то однородная масса образуется через пару недель.

2. Металлические. Состоят из ионов, атомов и не связанных электронов. Электропроводны, ковки (это касается не всех сплавов - чугун, например, трескается). Для проникновения позолоты на доли миллиметров в медь понадобятся столетия.

3. Атомные. С сильными ковалентными связями. Высокопрочны, хрупки, химически стойки. В процессах переноса участвуют слабо. Алмаз, кремний и его окислы (песок), хрусталь и подобные.

4. Молекулярные. Механически не прочны. Летучи. Это, например, кристаллы йода, твердый CO2 («сухой лед»).

Требуется энергия на разрыв соединения с соседними частицами. Диффундирующие элементы занимают «вакансии» в решетке.

Диффузия в жидкостях

Происходит с куда большей скоростью, поскольку энергии связи частиц хватает разве что на образование капель в невесомости или при свободном падении. 

Убедиться, что распространение происходит не из-за конвекции, можно при помощи простого опыта.

Разгородите емкость полупроницаемой мембраной, исключающей прямой ток. Залейте окрашенный и бесцветный растворы. Частицы будут проходить через преграду. Окрас с течением времени выровняется.

Диффузия в газах

Происходит динамичнее всего. Никак не сцепленные элементы занимают весь доступный объем. Легкие коррективы вносит разве что гравитация. Учитывая малую плотность веществ, можно не принимать в расчет.

Скорость больше зависит от длины свободного пробега. То есть от величины отрезка, на котором вероятность столкновения с соседкой невелика. В конечном счете обуславливается давлением, если не считать температуры.

Об интенсивности можно судить по распространению отчетливого запаха в помещении с неподвижной средой. Осталось только такое найти.

Примеры диффузии в окружающем мире

Известный по курсу биологии природный процесс фотосинтеза невозможен без рассматриваемого феномена. За счет энергии солнечного света вода разлагается хлорофиллами на составляющие. 

Кислород отправляется в атмосферу. При помощи водорода усвоенная углекислота превращается в сахар и в таком виде питает растение или микроорганизм. Как вещества преодолевают мембраны, мы уже видели.

Поглощение живыми организмами кислорода и обмен веществ вообще поддерживаются диффузией. Без этого эффекта сама жизнь на земле была бы невозможна.