Hva er diffusjon?

Artículo revisado y aprobado por nuestro equipo editorial, siguiendo los criterios de redacción y edición de YuBrain.


Diffusjonen av atomer og molekyler i et bestemt medium, det være seg en gass, en væske eller et fast stoff, er en fysisk prosess der det har en tendens til å være en forskyvning av disse partiklene i mediet fra et sted med høyere konsentrasjon til et annet hvor konsentrasjonen er lavere, inntil konsentrasjonen er den samme i hele mediet. Disse romlige variasjonene av konsentrasjon i et bestemt medium kalles konsentrasjonsgradienter. Diffusjon er assosiert med disse konsentrasjonsgradientene og med temperaturen på mediet.

Hvordan genereres diffusjon?

Diffusjon genereres ved bevegelse av atomer og molekyler assosiert med temperatur. I en gass er temperaturen assosiert med den kinetiske energien til partiklene, energien som atomene og molekylene i gassen beveger seg med. I et fast stoff, for eksempel en krystall, er temperaturen assosiert med energien som atomene og molekylene vibrerer med i den krystallinske strukturen.

Ideen om diffusjon kan tydelig sees i en gass. Den tilfeldige bevegelsen i alle retninger av atomer og molekyler i en blanding av gasser, ved høye hastigheter, genererer blandingen deres, og produserer en nettostrøm av partikler fra et sted med høyere konsentrasjon til et annet med lavere konsentrasjon.

Følgende figur viser et opplegg som bidrar til å forstå diffusjonsbegrepet. I den første boksen er det to gasser atskilt med en skillevegg: skilleveggen fjernes og du har et medium der konsentrasjonen av en av gassene er 0 på den andre siden av der skilleveggen var plassert. Den tilfeldige bevegelsen av partiklene (den røde linjen representerer bevegelsen til en av de grå partiklene) fører til at det blir en netto forskyvning av de grå partiklene mot området til de svarte partiklene og omvendt. Til slutt, i ramme 3 er konsentrasjonen av begge partiklene den samme gjennom hele mediet og en netto forskyvning av partikler observeres ikke lenger, til tross for at alle partiklene fortsetter å bevege seg tilfeldig.

Diagram over blanding av to gasser ved diffusjon.
Diagram over blanding av to gasser ved diffusjon.

Diffusjonshastigheten, det vil si hastigheten som en netto overføring av partikler fra ett sted til et annet i mediet observeres med, vil være større jo høyere temperatur, det vil si jo større energi som driver dette fysiske fenomenet. Og det vil også øke jo større konsentrasjonsforskjellen er. Diffusjonshastigheten avhenger også av partiklenes masse og, når det gjelder et fluid, av dets viskositet, faktorer som er uttrykt, sammen med temperaturen, i den såkalte diffusjonskoeffisienten D . Dette fysiske fenomenet uttrykkes av Ficks to lover.

Diffusjon er en fysisk prosess som ikke krever et ekstra bidrag av energi, siden den er assosiert med den termiske energien som mediet allerede har, uttrykt ved temperatur. Det er et grunnleggende aspekt ved denne fysiske mekanismen, siden diffusjon er en del av mange naturlige prosesser som diffusjon av oppløste stoffer, væsker og gasser gjennom cellemembraner.

osmose

Osmose, eller osmose, er diffusjon gjennom en semipermeabel membran: en skillevegg som har veldig små hull, i størrelsesorden mikrometer, som gjør at passasjen av molekyler kan velges i henhold til deres størrelse. Som følgende figur viser: de blå molekylene, de av vann, kan passere gjennom hullene i membranen, men de grønne molekylene, de til et oppløst stoff som sukker, kan ikke.

Diffusjon gjennom en semipermeabel membran.
Diffusjon gjennom en semipermeabel membran.

Tilstedeværelsen av et oppløst stoff som ikke kan krysse membranen, det vil si sukkermolekylene (grønne), genererer en tendens til molekylene som kan krysse den, det vil si vannmolekylene (blå), til å bevege seg i retning av membranen Løsningen, etter den rosa pilen, for å prøve å utjevne konsentrasjonene på begge sider av membranen. På figuren er det ikke oppløst stoff i venstre kyvette, men prosessen er fortsatt gyldig når det er en løsning med forskjellige konsentrasjoner på begge sider av membranen. I dette tilfellet vil vi ha en hypoton løsning i kyvetten med lav konsentrasjon av løst stoff og en hyperton løsning i den med høy konsentrasjon av løst stoff.

Denne tendensen til vannmolekylene til å passere mot bassenget med høyere konsentrasjon genererer et trykk i den retningen, som kalles osmotisk trykk. Når passasjen av vannmolekylene klarer å utjevne konsentrasjonen i begge kyvettene, får man isotoniske løsninger; selv når vannmolekylene fortsetter å passere gjennom membranen er det ingen klar trend i noen av retningene.

Hvis begge løsningene plasseres i åpne rør, som vist i følgende figur, vil vi se at grenen med høyest konsentrasjonsløsning vil stige i forhold til den andre; dette skyldes osmotisk trykk i membranen.

hva er diffusjon
Osmotisk trykk og omvendt osmose.

Hvis løsningen med den høyeste konsentrasjonen i et system som det som er beskrevet skjematisk i den forrige figuren utsettes for et trykk som virker mot det osmotiske trykket, kan en netto vannstrøm oppnås gjennom membranen i retning av det osmotiske trykket mindre konsentrert gren. Det kan tenkes som en omvendt prosess til osmose, og det er derfor det kalles omvendt osmose. Denne prosessen brukes i vannrensemekanismer.

Noen eksempler på diffusjon i naturlige prosesser

En av de grunnleggende prosessene for livet er å puste. Prosessene knyttet til respirasjon inkluderer diffusjon av gasser, diffusjon av oksygen i blodet og eliminering av karbondioksid, som også skjer ved diffusjon. I lungene diffunderer karbondioksid fra blodet til luften som deretter pustes ut, en prosess som foregår i lungealveolene. Etter å ha fjernet karbondioksid, tar de røde blodcellene opp oksygenet som diffunderer fra luften til blodet.

I celler skjer den omvendte utvekslingen: karbondioksid og avfall fra cellulære prosesser diffunderer fra cellene i vevet inn i blodet, mens oksygen, glukose og andre næringsstoffer fra blodet diffunderer inn i vevene. Disse diffusjonsprosessene skjer i kapillærene i blodsirkulasjonssystemet.

Diffusjonsmekanismer assosiert med ulike prosesser observeres også i planteceller og vev. Fotosyntesen som skjer i bladene til planter er assosiert med diffusjon av gasser: karbondioksid fra luften og solenergi omdannes til glukose og oksygen. Karbondioksid diffunderer fra luften inn i bladene gjennom små åpninger kalt stomata. Og oksygenet som produseres i fotosyntesen diffunderer fra bladene til luften også gjennom stomata.

Diffusjonen av store molekyler, som glukose, gjennom cellemembraner, skjer gjennom den såkalte tilrettelagte diffusjonen. Disse molekylene passerer gjennom membraner ved hjelp av bærerproteiner, proteinkanaler innebygd i cellemembraner som representerer åpninger som lar bare molekyler med en viss størrelse og form passere. Den tilrettelagte diffusjonsprosessen krever heller ikke ekstra energi, så den regnes også som passiv transport, akkurat som direkte diffusjon.

Osmotiske mekanismer kan finnes i prosesser med reabsorpsjon av vann i tubuli i nyrene og i reabsorpsjon av væsker i vevskapillærene. Innlemming av vann i plantenes røtter produseres ved osmose, en svært viktig prosess også for stabiliteten. Når planter visner er det på grunn av mangel på vann i vakuolene deres; Vakuoler holder plantestrukturer stive ved å trekke inn vann og utøve osmotisk trykk over cellemembraner.

Kilder

Bokshtein, BS Mendelev, MI Srolovitz, DJ-redaktører. Termodynamikk og kinetikk i materialvitenskap: et kort kurs . Termodynamikk og kinetikk i materialvitenskap: et kort kurs. Oxford University Press, Oxford, 2005.

Philibert, J. Ett og et halvt århundre med diffusjon: Fick, Einstein, før og utover . Diffusion Fundamentals 2, 2005.

-Annonse-

Sergio Ribeiro Guevara (Ph.D.)
Sergio Ribeiro Guevara (Ph.D.)
(Doctor en Ingeniería) - COLABORADOR. Divulgador científico. Ingeniero físico nuclear.

Artículos relacionados

Hva betyr LD50?

hva er boraks