Физические эксперименты. Скорость диффузии в жидкости

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.

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.

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.

Еще тесты

Оцените статью
Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Илья Коршунов
Наш эксперт
Написано статей
134
Добавить комментарий