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気体、液体、または固体である特定の媒体中の原子および分子の拡散は、媒体内のこれらの粒子がより高い濃度の場所から別の場所に移動する傾向がある物理的プロセスです。濃度が培地全体で同じになるまで、濃度は低くなります。特定の媒体におけるこれらの濃度の空間的変動は、濃度勾配と呼ばれます。拡散は、これらの濃度勾配と媒体の温度に関連しています。
拡散はどのように発生しますか?
拡散は、温度に関連する原子と分子の動きによって生成されます。ガスでは、温度は粒子の運動エネルギー、つまりガスの原子と分子が移動するエネルギーに関連付けられています。結晶などの固体では、温度は、その結晶構造内で原子や分子が振動するエネルギーに関連付けられています。
拡散の考え方は、気体ではっきりと見ることができます。ガスの混合物内の原子と分子が全方向に高速でランダムに移動すると、それらの混合物が生成され、濃度の高い場所から濃度の低い別の場所への粒子の正味の流れが生成されます。
次の図は、拡散の概念を理解するのに役立つスキームを示しています。最初のボックスには、パーティションで区切られた 2 つのガスがあります。パーティションが削除され、パーティションが配置されていた場所の反対側に、ガスの 1 つの濃度が 0 である媒体があります。粒子のランダムな動き (赤い線は灰色の粒子の 1 つの動きを表します) により、黒い粒子の領域に向かって灰色の粒子が移動し、その逆も同様です。最後に、フレーム 3 では、両方の粒子の濃度は媒体全体で同じであり、すべての粒子がランダムに移動し続けるという事実にもかかわらず、粒子の正味の変位はもはや観察されません。
拡散速度、つまり、媒体内のある場所から別の場所への粒子の正味の移動が観察される速度は、温度が高いほど大きくなります。つまり、この物理現象を駆動するエネルギーが大きくなります。また、濃度差が大きいほど大きくなります。拡散速度は、粒子の質量にも依存し、流体の場合はその粘度、いわゆる拡散係数 D で温度とともに表される要因にも依存します。この物理現象は、フィックの 2 つの法則によって表現されます。
拡散は、媒体がすでに持っている温度で表される熱エネルギーに関連付けられているため、エネルギーの追加の寄与を必要としない物理的プロセスです。拡散は、細胞膜を通る溶質、液体、気体の拡散など、多くの自然プロセスの一部であるため、これはこの物理的メカニズムの基本的な側面です。
浸透
浸透、または浸透は、半透膜を介した拡散です。マイクロメートルのオーダーの非常に小さな穴があり、分子のサイズに応じて選択される分子の通過を可能にするパーティションです。次の図が示すように、青い分子 (水の分子) は膜の穴を通過できますが、緑色の分子 (砂糖などの溶質の分子) は通過できません。
膜を通過できない溶質、つまり糖分子(緑)が存在すると、それを通過できる分子、つまり水分子(青)が膜の方向に移動する傾向が生じます. ピンクの矢印に従って、膜の両側の濃度を等しくしようとする溶液。図では、左側のキュベットに溶質はありませんが、膜の両側に異なる濃度の溶液がある場合でも、プロセスは有効です。この場合、溶質濃度の低いキュベットには低張液があり、溶質濃度の高いキュベットには高張液があります。
水分子が高濃度の盆地に向かって移動するこの傾向は、浸透圧と呼ばれるその方向の圧力を生成します。水分子の通過によって両方のキュベットの濃度が均等になると、等張溶液が得られます。水分子が膜を通過し続ける場合でも、どちらの方向にも明確な傾向はありません。
次の図に示すように、両方の溶液を開放管に入れると、最も濃度の高い溶液の分岐が他方に対して上昇することがわかります。これは、膜の浸透圧によるものです。
前の図で概略的に説明したようなシステムで、最高濃度の溶液が浸透圧に逆らって作用する圧力にさらされる場合、浸透圧の方向に膜を通る水の正味フラックスを達成できます。 . あまり集中していない枝。これは、浸透の逆プロセスと考えられるため、逆浸透と呼ばれます。このプロセスは、水浄化メカニズムで使用されます。
自然のプロセスにおける拡散の例
生命の基本的なプロセスの 1 つは呼吸です。呼吸に関連するプロセスには、ガスの拡散、血液中の酸素の拡散、および拡散によって発生する二酸化炭素の除去が含まれます。肺では、二酸化炭素が血液から空気中に拡散し、それが吐き出されます。このプロセスは肺胞で行われます。二酸化炭素を除去した後、赤血球は空気から血液中に拡散する酸素を取り込みます。
細胞内では、逆の交換が起こります。細胞プロセスからの二酸化炭素と老廃物が組織の細胞から血液に拡散し、血液からの酸素、グルコース、およびその他の栄養素が組織に拡散します。これらの拡散プロセスは、血液循環系の毛細血管で発生します。
植物の細胞や組織では、さまざまなプロセスに関連する拡散メカニズムも観察されます。植物の葉で発生する光合成は、ガスの拡散に関連しています。空気中の二酸化炭素と太陽エネルギーがグルコースと酸素に変換されます。二酸化炭素は、気孔と呼ばれる小さな開口部を通って空気から葉に拡散します。そして、光合成で生成された酸素は、気孔を通じて葉から空気中に拡散します.
細胞膜を通るグルコースなどの大きな分子の拡散は、いわゆる促進拡散によって起こります。これらの分子は、特定のサイズと形状の分子のみが通過できるようにする開口部を表す細胞膜に埋め込まれたタンパク質チャネルであるキャリアタンパク質の助けを借りて膜を通過します。促進拡散プロセスも余分なエネルギーを必要としないため、直接拡散と同様に受動輸送とも見なされます。
浸透メカニズムは、腎臓の尿細管での水の再吸収プロセスと、組織の毛細血管での液体の再吸収に見られます。植物の根への水の取り込みは、浸透によって行われます。これは、その安定性においても非常に重要なプロセスです。植物が枯れるのは、液胞の水分が不足しているためです。液胞は、水を同伴し、細胞膜全体に浸透圧をかけることによって、植物の構造を固定します。
ソース
Bokshtein、BS Mendelev、MI Srolovitz、DJ 編集者。材料科学における熱力学と動力学: 短期コース. 材料科学における熱力学と動力学: ショート コース。オックスフォード大学出版局、オックスフォード、2005 年。
Philibert、J.拡散の 1 半世紀: フィック、アインシュタイン、その前後. 拡散の基礎 2、2005 年。