Наблюдение диффузии в воде и влияние температуры на скорость диффузии. Диффузия водяных паров Как протекает диффузия в жидкостях: опыт

Введение

Мы рассматривали лишь свойства газов и твердых тел и не обсуждали свойства жидкостей. Жидкое состояние значительно труднее поддается теоретической трактовке по сравнению с газовым и твердым. Это определяется тем, что состояния (твердое и газовое) являются предельными для всякого вещества при достаточно низких (или высоких) температурах и достаточно высоких (или низких) давлениях.

Жидкое состояние является промежуточным по своей природе. Естественно, что около критической точки жидкость близка по свойствам к газу, а при температуре, близкой к температуре плавления, - к твердому телу.

Это обстоятельство приводит к отсутствию "идеальной модели" жидкости. Для газа таковой является идеальный газ, для твердого тела - идеальный кристалл. И теории реальных газов, и теория твердых тел строятся как описание отклонений от идеальных состояний. Отсутствие идеальной модели жидкости приводит к трудности формулировки общей теории жидкости.

Такая теория должна объяснить равновесные термодинамические свойства жидкости, ее энтальпию, энтропию, уравнение состояния, температуру замерзания, поверхностное натяжение и т.п. Далее теория должна описать явления переноса - вязкость, диффузию, теплопроводность. Наконец, такая теория должна охватить явления рассеяния жидкостями различных излучений и прежде всего рентгеновского. В последние годы теория жидкостей достигла ряда серьезных успехов.

Вынужденное внутреннее движение в жидкости.

Если на жидкость в течение времени t >> ?ср действует внешняя сила, то частицы жидкости смещаются главным образом в направлении этой силы. В этом проявляется текучесть жидкости.

Если время t действия внешней силы много меньше среднего времени релаксации (t << ?ср), то за время действия силы частицы не успевают изменить свои положения равновесия и жидкость проявляет упругие свойства, сопротивляясь изменению объема и формы.

При определенных условиях в жидкостях происходят явления переноса: диффузия, теплопроводность и внутреннее трение. Отличия явлений переноса в жидкостях от аналогичных явлений в газах проявляются в величинах коэффициентов переноса.

Диффузия

ДИФФУЗИЯ (от латинского diffusio - распространение, растекание, рассеивание), движение частиц среды, приводящее к переносу вещества и выравниванию концентраций или установлению их равновесного распределения. Обычно диффузия определяется тепловым движением частиц. В отсутствие внешних воздействий диффузионный поток пропорционален градиенту концентраций; коэффициент пропорциональности называется коэффициентом диффузии. Процесс диффузии может происходить под воздействием разности температур (термодиффузия), электрического поля (электродиффузия), в турбулентном потоке (турбулентная диффузия) и т.д.).

Диффузия крупных частиц, взвешенных в газе или жидкости (например, частиц дыма или суспензии), осуществляется благодаря их броуновскому движению. В дальнейшем, если специально не оговорено, имеется в виду молекулярная диффузия.

Наиболее быстро диффузия происходит в газах, медленнее в жидкостях, ещё медленнее в твёрдых телах, что обусловлено характером теплового движения частиц в этих средах. Траектория движения каждой частицы газа представляет собой ломаную линию, т.к. при столкновениях частицы меняют направление и скорость своего движения. Неупорядоченность движения приводит к тому, что каждая частица постепенно удаляется от места, где она находилась, причём её смещение по прямой гораздо меньше пути, пройденного по ломаной линии. Поэтому диффузионное проникновение значительно медленнее свободного движения (скорость диффузионного распространения запахов, например, много меньше скорости молекул).

Для явления диффузии в жидкости справедлив закон Фика. Он гласит:

где I - диффузионный поток в направлении оси X, D - коэффициент диффузии, а - градиент концентрации по оси X.

Обозначим время между скачками молекул через t, тогда величина - скорости молекулы. Это дает возможность сравнить со средней длинной свободного пробега, а - со средней скоростью молекул. Тогда по аналогии с идеальными газами коэффициент диффузии (точнее самодиффузии) жидкости равен:

Коэффициент самодиффузии сильно зависит от температуры, т.е. с повышением температуры он увеличивается.

Выражение коэффициента диффузии можно переписать в виде

где, причем n - частота вышеописанных колебаний, а w - энергия, необходимая для скачка молекулы, называемая энергией активации молекулы.

Численное значение коэффициента диффузии у жидкостей много меньше чем у газов. Например коэффициент диффузии NaCl в воде равен 1,1·10-9 м2/с, в то время как для диффузии аргона в гелий он равен 7·10-5 м2/с.

В жидкостях, в соответствии с характером теплового движения молекул, диффузия осуществляется перескоками молекул из одного временного положения равновесия в другое. Каждый скачок происходит при сообщении молекуле энергии, достаточной для разрыва её связей с соседними молекулами и перехода в окружение др. молекул (в новое энергетически выгодное положение). В среднем скачок не превышает межмолекулярного расстояния. Диффузионное движение частиц в жидкости можно рассматривать как движение с трением, к нему применимо второе соотношение Эйнштейна: D ~ ukT. Здесь k -- Больцмана постоянная, u -- подвижность диффундирующих частиц, т.е. коэффициент пропорциональности между скоростью частицы с и движущей силой F при стационарном движении с трением (с = uF). Если частицы сферически симметричны, то u = 1 / 6 phr, где h -- коэффициент вязкости жидкости, r -- радиус частицы (см. Стокса закон).

Коэффициент диффузии в жидкости увеличивается с температурой, что обусловлено «разрыхлением» структуры жидкости при нагреве и соответствующим увеличением числа перескоков в единицу времени.

В твёрдом теле могут действовать несколько механизмов диффузии: обмен местами атомов с вакансиями (незанятыми узлами кристаллической решётки), перемещение атомов по междоузлиям, одновременное циклическое перемещение нескольких атомов, прямой обмен местами двух соседних атомов и т.д. Первый механизм преобладает, например, при образовании твёрдых растворов замещения, второй -- твёрдых растворов внедрения.

Коэффициент диффузии в твёрдых телах крайне чувствителен к дефектам кристаллической решётки, возникшим при нагреве, напряжениях, деформациях и др. воздействиях. Увеличение числа дефектов (главном образом вакансий) облегчает перемещение атомов в твёрдом теле и приводит к росту коэффициента диффузии. Для коэффициента диффузии в твёрдых телах характерна резкая (экспоненциальная) зависимость от температуры. Так, коэффициент диффузии цинка в медь при повышении температуры от 20 до 300°С возрастает в 10 14 раз.

Значение коэффициента диффузии (при атмосферном давлении)

Для большинства научных и практических задач существенно не диффузионное движение отдельных частиц, а происходящее от него выравнивание концентрации вещества в первоначально неоднородной среде. Из мест с высокой концентрацией уходит больше частиц, чем из мест с низкой концентрацией. Через единичную площадку в неоднородной среде проходит за единицу времени безвозвратный поток вещества в сторону меньшей концентрации -- диффузионный поток j. Он равен разности между числами частиц, пересекающих площадку в том и др. направлениях, и потому пропорционален градиенту концентрации СС (уменьшению концентрации С на единицу длины). Эта зависимость выражается законом Фика (1855):

Единицами потока j в Международной системе единиц являются 1/м 2 ·сек или кг/м 2 ·сек, градиента концентрации -- 1/м 4 или кг/м 4 , откуда единицей коэффициента Диффузия является м 2 /сек. Математически закон Фика аналогичен уравнению теплопроводности Фурье. В основе этих явлений лежит единый механизм молекулярного переноса: в 1-м случае переноса массы, во 2-м -- энергии.

Диффузия возникает не только при наличии в среде градиента концентрации (или химического потенциала). Под действием внешнего электрического поля происходит диффузия заряженных частиц (электродиффузия), действие поля тяжести или давления вызывает бародиффузию, в неравномерно нагретой среде возникает термодиффузия.

Все экспериментальные методы определения коэффициента диффузии содержат два основных момента: приведение в контакт диффундирующих веществ и анализ состава веществ, изменённого диффузией состав (концентрацию продиффундировавшего вещества) определяют химически, оптически (по изменению показателя преломления или поглощения света), масс-спектроскопически, методом меченых атомов и др.

Диффузия играет важную роль в химической кинетике и технологии. При протекании химической реакции на поверхности катализатора или одного из реагирующих веществ (например, горении угля) диффузия может определять скорость подвода др. реагирующих веществ и отвода продуктов реакции, т.е. являться определяющим (лимитирующим) процессом.

Для испарения и конденсации, растворения кристаллов и кристаллизации определяющей оказывается обычно. Процесс диффузия газов через пористые перегородки или в струю пара используется для изотопов разделения. Диффузия лежит в основе многочисленных технологических процессов -- адсорбции, цементации и др. (см. диффузионные процессы); широко применяются диффузионная сварка, диффузионная металлизация.

В жидких растворах диффузии молекул растворителя через полупроницаемые перегородки (мембраны) приводит к возникновению осмотического давления (см. Осмос), что используется в физико-химическом методе разделения веществ -- диализе.

Диффузия в биологических системах. Диффузия играет важную роль в процессах жизнедеятельности клеток и тканей животных и растений (например, диффузия кислорода из лёгких в кровь и из крови в ткани, всасывание продуктов пищеварения из кишечника, поглощение элементов минерального питания клетками корневых волосков, диффузия ионов при генерировании биоэлектрических импульсов нервными и мышечными клетками). Различная скорость диффузии ионов через клеточные мембраны -- один из физических факторов, влияющих на избирательное накопление элементов в клетках организма. Проникновение растворённого вещества в клетку может быть выражено законом Фика, в котором значение коэффициента диффузии заменено коэффициентом проницаемости мембраны, а градиент концентрации -- разностью концентраций вещества по обе стороны мембраны. Диффузионное проникновение в клетку газов и воды (см. Осмос) также описывается законом Фика; при этом значения разности концентраций заменяются значениями разности давлений газов и осмотических давлений внутри и вне клетки.

Различают простую диффузию -- свободное перемещение молекул и ионов в направлении градиента их химического (электрохимического) потенциала (так могут перемещаться лишь вещества с малыми размерами молекул, например вода, метиловый спирт); ограниченную диффузию, когда мембрана клетки заряжена и ограничивает диффузия заряженных частиц даже малого размера (например, слабое проникновение в клетку анионов); облегчённую Диффузия -- перенос молекул и ионов, самостоятельно не проникающих или очень слабо проникающих через мембрану, др. молекулами («переносчиками»); так, по-видимому, проникают в клетку сахара и аминокислоты. Через мембрану, вероятно, могут диффундировать и переносчик, и комплекс переносчика с веществом. Перенос вещества, определяемый градиентом концентрации переносчика, называется обменной диффузией; такая диффузия отчётливо проявляется в экспериментах с изотопными индикаторами. Различную концентрацию веществ в клетке и окружающей её среде нельзя объяснить только диффузия их через мембраны за счёт имеющихся электрохимических и осмотических градиентов. На распределение ионов влияют также процессы, которые могут вызывать перераспределение веществ против их электрохимического градиента с затратой энергии, -- так называемый активный транспорт ионов

Цели урока:

Обучающие: закрепить знания учеников по заданной теме, научить их понимать и описывать поведение молекул вещества в различных агрегатных состояниях, объяснить значение процесса диффузии в природе и жизни человека.

Воспитательные: продолжить формирование у учащихся способности к научному мышлению.

Образовательные: привить ученикам умение сопоставлять увиденные в природе явления с полученными знаниями о различных физических законах.

Основные термины:

Агрегатное состояние вещества – это состояние вещества, которое можно охарактеризовать набором определенных свойств (например, сохранение или неспособность к сохранению объема, формы и т.д.).

Диффузия

Понятие агрегатного состояния вещества.

Мир, окружающий нас, сложен и изменчив. В то же время, мы способны заметить, что безграничное разнообразие мира – не такое уж и безграничное. Мы часто видим одни и те же вещества в различных состояниях.

Самый простой пример, на котором я смогу доказать правдивость своих слов – это вода. Ее проще всего увидеть в разных состояниях – это пар, или туман, это лед или снег, это жидкость, бегущая из-под крана в кухне. Какими бы ни были особенности воды в той или иной форме, она всегда остается водой – ее состав не меняется. Это все те же 2 молекулы водорода и 1 молекула кислорода .

Если и дальше использовать взятый нами пример, то мы можем проследить, что эти 3 состояния воды зависят от определенных внешних условий. Так, вода замерзает при 0 градусов, превращаясь в лед, и вода закипает при 100 градусах, превращаясь в пар. Вот эта фотография наглядно демонстрирует все 3 состояния воды:

Рис. 1: 3 агрегатные состояния воды

Итак, какие же выводы мы можем сделать, хорошенько подумав о приведенном нами примере? Они будут такими:

Агрегатное состояние вещества – это состояние вещества, которое можно охарактеризовать набором определенных свойств (например, сохранение или неспособность к сохранению объема, формы и т.д.) при определенных условиях.

Не только вода может находиться в трех агрегатных состояниях: твердом, жидком и газообразном. Это присуще всем веществам.

Иногда к трем вышеперечисленным агрегатным состояниям, добавляют еще и четвертое – плазму. О том, как выглядит плазма, вы пожжете получить представление из следующего рисунка:

Рис. 2: плазменная лампа

но о плазме более подробно вы узнаете на уроках физики и химии в старших классах.

Процесс диффузии

Как все мы уже успели узнать, все вещества состоят из мельчайших частичек – ионов, атомов, молекул, которые пребывают в постоянном движении. Именно это движение и становится причиной, по которой возникает процесс диффузии.

Диффузия - это процесс, заключающийся во взаимном проникновении молекул веществ в промежутки между молекулами в других веществах.

Давайте более подробно рассмотрим диффузию в различных агрегатных состояниях.

Диффузия в газах

Давайте вместе приведем примеры процесса диффузии в газах. Варианты проявления этого явления могут быть таковыми:

Распространение запаха цветов;

Слезы из-за нарезания лука;

Шлейф духов, который можно почувствовать в воздухе.

Промежутки между частицами в воздухе довольно большие, частицы двигаются хаотично, поэтому диффузия газообразных веществ происходит достаточно быстро.

Давайте посмотрим видео, демонстрирующее этот процесс:

Диффузия в жидкостях.

Частички веществ в жидкостях, а это чаще всего ионы веществ, взаимодействуют между собой достаточно сильно. В то же время, расстояние между ионами достаточно большое, что позволяет частичкам легко смешиваться.

На следующей видео картинке видно, как проходит процесс диффузии в жидкостях. Частички краски, попадая на поверхность воды, легко диффундируют, то есть – проникают в воду.

Рис. 3: частички краски распространяются в воде.

Этот же процесс, но уже в динамике, вы можете наблюдать на видео на примере растворения кристаллов перманганата калия:

Диффузия в твердых телах.

Твердые тела могут иметь различное строение и состоять из молекул, атомов или ионов . В любом случае, вне зависимости от того, из каких микрочастиц состоит тело, взаимодействие этих частиц друг с другом очень сильно. Не смотря на то, что они, эти частицы, все же движутся, но эти движения очень незначительны. Промежутки между частицами маленькие, поэтому другим веществам трудно проникнуть между ними. Процесс диффузии в твердых телах проходит очень медленно и незаметно для невооруженного глаза.

Давайте посмотрим видео об этом:

Узнав об особенностях протекания процесса диффузии в различных агрегатных состояниях, мы увидели, что процесс не одинаково быстр. От чего же зависит скорость диффузии? Один из ответов на этот вопрос у нас уже есть – скорость протекания процесса диффузии зависит от агрегатного состояния вещества.

Мы с вами также знаем, что частички веществ начинают двигаться быстрее с увеличением температуры. Значит ли это, что и процесс диффузии будет ускоряться при повышении температуры? Ответ очевиден. Для подтверждения давайте просмотрим видео:

Интенсивность диффундирования одного вещества в другое также зависит и от концентрации этих веществ, и от внешних воздействий (например, если просто капнуть раствор йода в воду и если его еще и перемешать, то скорость приобретения раствором однородного цвета будет разной).

Выводы

1.Агрегатное состояние вещества – это состояние вещества, которое можно охарактеризовать набором определенных свойств (например, сохранение или неспособность к сохранению объема, формы и т.д.) при определенных условиях. Не только вода может находиться в трех агрегатных состояниях: твердом, жидком и газообразном. Это присуще всем веществам.

2.Диффузия - это процесс, заключающийся во взаимном проникновении молекул веществ в промежутки между молекулами в других веществах.

3.Скорость диффузии зависит от: температуры, концентрации, внешних воздействий, агрегатного состояния вещества.

Трудно переоценить процесс диффузии в жизни человека. Например, проникновение кислорода через тончайшую стенку альвеол в капилляры легких осуществляется именно благодаря диффузии. Стенки альвеол очень тонкие, с физической точки зрения, альвеолярная стенка – это полупроницаемая мембрана. Концентрация кислорода в атмосферном воздухе гораздо выше его концентрации и капиллярной крови, вот потому кислород и поникает сквозь полупроницаемую мембрану – туда, где его меньше. Благодаря диффузии мы дышим.

Также этот процесс частично обеспечивает проникновение питательных веществ из пищеварительной системы в кровь и действие многих лекарств.

На рисунке схематически показано, как всасываются питательные вещества в кишечнике человека.

Рис. 4: тонкий кишечник млекопитающего

Список литературы

Урок на тему: «Диффузия в газах, жидкостях, твердых телах», автор Селезнева А. М., МОУ СОШ №7 г. Боярка, Киевской обл.

Перышкин А. В. «Физика 7-й класс», Москва, Дрофа, 2006 г.

Родина Н. А., Громов С. В., «Физика», М., Мир, 2002 г.

Отредактировано и выслано Борисенко И.Н .

Над уроком работали:

О таком понятии, как диффузия, слышали абсолютно все люди. Это было одной из тем на уроках физики в 7 классе. Несмотря на то что это явление окружает нас абсолютно везде, мало кто знает о нём. Что же оно всё-таки означает? В чём заключается его физический смысл , и как можно облегчить жизнь с её помощью? Сегодня мы с вами об этом и поговорим.

Вконтакте

Диффузия в физике: определение

Это - процесс проникновения молекул одного вещества между молекулами другого вещества. Говоря простым языком, этот процесс можно назвать смешиванием. Во время этого смешивания происходит взаимное проникновение молекул вещества друг между другом . Например, при приготовлении кофе молекулы растворимого кофе проникают в молекулы воды и наоборот.

Скорость этого физического процесса зависит от следующих факторов:

1. Температура.
2. Агрегатное состояние вещества.
3. Внешнее воздействие.

Чем выше температура вещества, тем быстрее движутся молекулы. Следовательно, процесс смешивания происходит быстрее при высоких температурах.

Агрегатное состояние вещества - важнейший фактор . В каждом агрегатном состоянии молекулы движутся с определённой скоростью.

Диффузия может протекать в следующих агрегатных состояниях:

1. Жидкость.
2. Твёрдое тело.

Скорее всего, у читателя сейчас возникнут следующие вопросы:

1. Каковы причины возникновения диффузии?
2. Где она протекает быстрее?
3. Как она применяется в реальной жизни?

Ответы на них можно узнать ниже.

Причины возникновения

Абсолютно у всего в этом мире есть своя причина. И диффузия не является исключением . Физики прекрасно понимают причины её возникновения. А как донести их до обычного человека?

Наверняка каждый слышал о том, что молекулы находятся в постоянном движении. Причём это движение является беспорядочным и хаотичным, а его скорость очень большая. Благодаря этому движению и постоянному столкновению молекул происходит их взаимное проникновение.

Есть ли какие-то доказательства этого движения? Конечно! Вспомните, как быстро вы начинали чувствовать запах духов или дезодоранта? А запах еды, которую готовит ваша мама на кухне? Вспомните, как быстро готовится чай или кофе . Всего этого не могло быть, если бы не движение молекул. Делаем вывод - основная причина диффузии заключается в постоянном движении молекул.

Теперь остаётся только один вопрос - чем же обусловлено это движение? Оно обусловлено стремлением к равновесию. То есть, в веществе есть области с высокой и низкой концентрацией этих частиц. И благодаря этому стремлению они постоянно движутся из области с высокой концентрацией в низкоконцентрированную. Они постоянно сталкиваются друг с другом , и происходит взаимное проникновение.

Диффузия в газах

Процесс смешивания частиц в газах самый быстрый. Он может происходить как между однородными газами, так и между газами с разной концентрацией.

Яркие примеры из жизни:

1. Вы чувствуете запах освежителя воздуха благодаря диффузии.
2. Вы чувствуете запах приготовленной пищи. Заметьте, его вы начинаете чувствовать сразу, а запах освежителя через несколько секунд. Это объясняется тем, что при высокой температуре скорость движения молекул больше.
3. Слезы, возникающие у вас при нарезании лука. Молекулы лука смешиваются с молекулами воздуха, и ваши глаза на это реагируют.

Как протекает диффузия в жидкостях

Диффузия в жидкостях протекает медленнее. Она может длиться от нескольких минут до нескольких часов.

Самый яркие примеры из жизни:

1. Приготовление чая или кофе.
2. Смешивание воды и марганцовки.
3. Приготовление раствора соли или соды.

В этих случаях диффузия протекает очень быстро (до 10 минут). Однако если к процессу будет приложено внешнее воздействие, например, размешивание этих растворов ложкой, то процесс пойдёт гораздо быстрее и займёт не более одной минуты.

Диффузия при смешивании более густых жидкостей будет происходить гораздо дольше. Например, смешивание двух жидких металлов может занимать несколько часов. Конечно, можно сделать это за несколько минут, но в таком случае получится некачественный сплав .

Например, диффузия при смешивании майонеза и сметаны будет протекать очень долго. Однако, если прибегнуть к помощи внешнего воздействия, то этот процесс и минуты не займёт.

Диффузия в твёрдых телах: примеры

В твёрдых телах взаимное проникновение частиц протекает очень медленно. Этот процесс может занять несколько лет. Его длительность зависит от состава вещества и структуры его кристаллической решётки.

Опыты, доказывающие, что диффузия в твёрдых телах существует.

1. Слипание двух пластин разных металлов. Если держать эти две пластины плотно друг к другу и под прессом, в течение пяти лети между ними будет слой, имеющий ширину 1 миллиметр. В этом небольшом слое будут находиться молекулы обоих металлов. Эти две пластины будут слиты воедино.
2. На тонкий свинцовый цилиндр наносится очень тонкий слой золота. После чего эта конструкция помещается в печь на 10 дней. Температура воздуха в печи - 200 градусов Цельсия. После того как этот цилиндр разрезали на тонкие диски, было очень хорошо видно, что свинец проник в золото и наоборот.

Примеры диффузии в окружающем мире

Как вы уже поняли, чем тверже среда, тем меньше скорость смешивания молекул. Теперь давайте поговорим о том, где в реальной жизни можно получить практическую пользу от этого физического явления.

Процесс диффузии происходит в нашей жизни постоянно. Даже когда мы лежим на кровати, очень тонкий слой нашей кожи остаётся на поверхности простыни. А также в неё впитывается пот. Именно из-за этого постель становится грязной, и её необходимо менять.

Так, проявление этого процесса в быту может быть следующим:

1. При намазывании масла на хлеб оно в него впитывается.
2. При засолке огурцов соль сначала диффундирует с водой, после чего солёная вода начинает диффундировать с огурцами. В результате чего мы получаем вкуснейшую закуску. Банки необходимо закатывать. Это нужно для того, чтобы вода не испарялась. А точнее, молекулы воды не должны диффундировать с молекулами воздуха.
3. При мытье посуды молекулы воды и чистящего средства проникают в молекулы оставшихся кусочков еды. Это помогает им отлипать от тарелки, и сделать её более чистой.

Проявление диффузии в природе:

1. Процесс оплодотворения происходит именно благодаря этому физическому явлению. Молекулы яйцеклетки и сперматозоида диффундируют, после чего появляется зародыш.
2. Удобрение почв. Благодаря использованию определённых химических средств или компоста почва становится более плодородной. Почему так происходит? Суть в том, что молекулы удобрения диффундируют с молекулами почвы. После чего процесс диффузии происходит между молекулами почвы и корня растения. Благодаря этому сезон будет более урожайным.
3. Смешивание производственных отходов с воздухом сильно загрязняет его. Из-за этого в радиусе километра воздух становится очень грязным. Его молекулы диффундируют с молекулами чистого воздуха из соседних районов. Именно так ухудшается экологическая обстановка в городе.

Проявление этого процесса в промышленности:

1. Силицирование - процесс диффузионного насыщения кремнием. Он проводится в газовой атмосфере. Насыщенный кремнием слой детали имеет не очень высокую твёрдость, но высокую коррозионную стойкость и повышенную износостойкость в морской воде, азотной, соляной в серной кислотах.
2. Диффузия в металлах при изготовлении сплавов играет большую роль. Для получения качественного сплава необходимо производить сплавы при высоких температурах и с внешним воздействием. Это значительно ускорит процесс диффузии.

Эти процессы происходят в различных областях промышленности:

1. Электронная.
2. Полупроводниковая.
3. Машиностроение.

Как вы поняли, процесс диффузии может оказывать на нашу жизнь как положительный, так и отрицательный эффект. Нужно уметь управлять своей жизнью и максимально использовать пользу от этого физического явления, а также минимизировать вред.

Теперь вы знаете, в чём сущность такого физического явления, как диффузия. Она заключается во взаимном проникновении частиц благодаря их движению. А в жизни движется абсолютно все. Если вы школьник, то после прочтения нашей статьи вы точно получите оценку 5. Успехов вам!

На рис. 2 представлены основные разновидности диффузии веществ через мембрану.

Диффузия – самопроизвольное перемещение вещества из мест с большей их концентрацией в места с меньшей концентрацией вещества вследствие хаотического теплового движения частиц . Диффузия вещества через липидный бислой вызывается градиентом концентрации в мембране. Плотность потока вещества по закону Фика:

Где С М 1 – концентрация вещества в мембране около одной ее поверхности и С М 2 – около другой, l – толщина мембраны.

Так как измерить концентрации С М 1 и С М 2 труд­но, на практике пользуются формулой, связывающей плотность потока вещества через мембрану с концентрациями этого вещества не внутри мембраны, а снаружи в растворах около поверхностей мембраны – С 1 и С 2:

(3)

где Р – коэффициент проницаемости.

К – коэффициент распределения – показывает, ка­кую часть концентрации у поверхности вне мембраны составляет концентрация у поверхности мемб­раны, но внутри ее.

Подставив (4) в (2), получим:

(5)

Из уравнений (3) и (5) видно, что коэффициент проницаемости:

Этот коэффициент удобен, поскольку имеет размерность линейной скорости (в м/с) и может быть определен по результатам измерения мембранных потенциалов.

Коэффициент проницаемости , как видно из формулы, тем больше, чем больше коэффициент диффузии D, чем тоньше мембрана и чем лучше вещество растворяется в липидной фазе мембраны (чем больше К).

Хорошо растворимы в липидной фазе мембраны неполярные вещества , например: органические и жирные кислоты, эфиры. В то же время плохо проходят через липидный бислой мембраны полярные вещества : вода, неорганические соли, сахара, аминокислоты. Электролиты , слабо растворимые в липидах, не образуют с водой водородных связей, но они обладают водной оболочкой, образующейся в результате электростатических взаимодействий. Размер оболочки прямо пропорционален плотности заряда электролита. Электролиты с большей плотностью заряда обладают большей гидратной оболочкой и, таким образом, меньшей скоростью диффузии. Ионы Na + , например, характеризуются большей плотностью заряда, чем ионы К + . Следовательно, гидратированный Na + имеет больший размер, чем К + , и его скорость пассивной диффузии ниже. Перенос воды происходит через наполненные водой белковые и липидные поры. Однако в последнее время помимо гидрофильных пор проникновение через мембрану мелких полярных молекул связывают с образованием между жирнокислотными хвостами фосфолипидных молекул при их тепловом движении небольших свободных полостей – кинков (от англ. kink – петля). Вследствие теплового движения хвостов молекул фосфолипидов кинки могут переме­щаться поперек мембраны и переносить попавшие в них мелкие молекулы, в первую очередь молекулы воды.

Долгое время считалось, что для диффузии воды через клеточные мембраны достаточно ее естественной проницаемости через липидную часть мембран за счет движения кинков. В 1988 г. В лаборатории П. Агре (лауреата Нобелевской премии по химии за 2003 год) были описаны аквапорины – новый класс белков, которые высокоэффективно пропускают молекулы воды, будучи абсолютно непроницаемы не для каких ионов, включая протоны.

В отличие от ионных каналов, аквапорины осуществляют избирательное пропускание воды через мембраны клеток. Аквапорины имеют молекулярную массу ~ 30 кДа и находятся в мембране в виде тетрамеров (рис. 3). Они встречаются в клетках всех живых организмов и играют особенно важную роль в физиологии почек (у человека через них проходит до 170 л воды в сутки). Нарушения работы аквапоринов (например, в случае генетических дефектов этих белков) приводят к тяжелым патологиям.

Рентгеноструктурный анализ аквапорина показал, что его структура сильно отличается от структуры калиевого канала. В мембране формируется очень узкое отверстие , в центре которого имеются два положительных заряда , расположенных на двух симметричных петлях с характерной последовательностью -N-P-A. Прохождение большинства катионов и анионов через данный канал невозможно из-за его малого размера, а протоны не проходят через него из-за наличия положительного заряда.

Через гидрофильные липидные и белковые поры сквозь мембрану проникают молекулы нерастворимых в липидах веществ и водорастворимые гидратированные ионы, окруженные молекулами воды. Для жиронерастворимых веществ и ионов мембрана выступает как молекулярное сито: чем больше размер частицы, тем меньше проницае­мость мембраны для этого вещества. Избирательность переноса обеспечивается набором в мембране пор определенного радиуса, соответствующих размеру проникающей частицы.

Некоторые микроорганизмы синтезируют малые органические молекулы – ионофоры, которые осуществляют челночные перемещения ионов через мембраны. Эти ионофоры содержат гидрофильные центры, которые связывают определенные ионы. По периферии центры окружены гидрофобными областями, что позволяет молекуле легко растворяться в мембране и диффундировать через нее. Существуют и другие ионофоры, подобные хорошо изученному полипептиду грамицидину, которые образуют каналы. Некоторые микробные токсины (например, дифтерийный токсин) и компоненты активированного сывороточного комплемента способны образовывать крупные поры в клеточных мембранах, через которые могут проходить макромолекулы.

Суммируя сказанное, можно сказать, что диффузия веществ определяется следующими факторами :

1) трансмембранным концентрационным градиентом веществ. Растворенные вещества перемещаются в сторону понижения концентрации;

2) трансмембранной разностью электрических потенциалов . Растворенные вещества движутся в сторону раствора с противоположным зарядом;

3) коэффициентом проницаемости мембраны для данного вещества;

4) градиентом гидростатического давления на мембране. При повышении давления будет увеличиваться скорость столкновений молекул и мембраны;

5) температурой . Чем выше температура, тем больше скорость частиц и, следовательно, частота столкновений между частицами и мембраной.

" статьёй . И поговорим про эту проблему систем обратного осмоса, особенно характерную для фильтров, описанных в статье "Аппарат обратного осмоса ".

Проблема: диффузионные загрязнения воды. Соответственно, предполагается, что с ней нужно как-то бороться. Ну а для того, чтобы знать, с чем бороться, нужно разобраться с физическим механизмом процесса. Ничего сложного — простые школьные знания.

Что такое диффузия? Наверное, многие помнят по школе об опыте, когда учитель выливал где-то в одном месте класса нечто пахучее, а потом запах распространялся по всей комнате. Или чернила в воду, а они потом расплываются на всю ёмкость. Это и есть примеры диффузии, или постепенного перехода одного вещества в другое. Даже между металлами есть подобные взаимодействия, правда очень медленные и не относящиеся к делу.

Что будет, если взять чистую воду, и подлить обычной грязной воды? Всё случится очень закономерно — загрязнения равномерно распределятся по всей ёмкости. Похожая ситуация возникает с многоступенчатыми бытовыми системами обратного осмоса.

Похожая, но не точно такая же. Разница состоит в том, что грязную воду и чистую воду разделяет полупроницаемая перегородка, мембрана. И в идеале, то есть, теоретически, через этот барьер-мембрану может пройти исключительно вода. Но — только в идеале.

На самом деле поры в мембране не одинаковые по размеру. В среднем — они действительно пропускают только молекулы воды. Однако всегда существует разброс. Насколько велик разброс — это уже дело технологии изготовления мембран. Естественно, чем лучше мембрана, тем меньше этот разброс. Но разброс есть всегда.

Что практически означает наличие этого разброса? Это означает, что качество очистки воды всегда будет ниже 100 %. Если бы разброса не было, то всё кроме воды и соразмерных частиц удалялось бы полностью. Однако разброс есть. И степень очисти для технологии обратного осмоса колеблется в пределах 90-99,999 %. Для бытовой многоступенчатой гиперфильтрации типа "капельница" стандартным и типичным является степень очистки 90-95 %.

Очень редко для бытовых капельниц степень очистки достигает 99 %.

Итак, есть мембрана с разбросом пор, есть по одну сторону загрязнённая вода, по другую — очищенная вода. В рабочем состоянии, когда вода двигается ВДОЛЬ мембраны (потому что так мембрана меньше забивается), у примесей воды нет «времени» на то, чтобы пролезть через точно такие же по размеру, чем они сами, поры. Это связано с особенностями взаимодействия поверхности мембраны и текущей водой.

НО! Когда вода не двигается вдоль мембраны, загрязнения получают вполне реальную возможность проникать через эти соответствующие им по размерам поры на сторону чистой воды. А вода с чистой стороны, соответственно, стремится попасть на ту сторону, где большее количество загрязнений. Чтобы был выполнен закон диффузии — равномерное распределение вещества в веществе. То, что вода переходит с «чистой» стороны мембраны на «грязную», не страшно. Намного опаснее другой процесс, диффузионное загрязнение воды на «чистой» стороне.

Диффузионное загрязнение происходит на всех типах обратноосмотических установок, но опасно только на бытовых многоступенчатых осмосах. Почему? Потому что в них нет возможности сбросить диффузионные загрязнения. И они попадают прямиком в бак с питьевой водой. А оттуда — в стакан.

То есть, степень очистки воды уменьшается ещё больше.

Разберём это подробнее. Для этого вернёмся к схеме бытовой многоступенчатой системы обратного осмоса (озвученной более подробно в статье "Аппарат обратного осмоса "), а точнее, с направлениями и типами потоков воды. Они на схеме обозначены буквами.

А — исходная, загрязнённая вода. Она проходит по трём ступеням очистки воды, а далее попадает на мембрану обратного осмоса. На мембране вода фильтруется, концентрат (загрязнённая вода) попадает в канализацию (поток С), а очищенная вода (поток В) с небольшой скоростью накапливается в баке.

Вот здесь и собака зарыта. Диффузионные загрязнения в подобных системах гиперфильтрации невозможно слить или убрать. Они попадают в накопительный бак. А оттуда — потребителю в чашку.

Содержание солей в очищенной воде в баке возрастает очень ненамного. Основную опасность представляют собой бактерии. По идее, бактерии вообще не могут проникнуть через мембрану обратного осмоса. Это так — но во время движения воды. Когда вода стоит, бактерии, особенно узкие, могут «протиснуться» между волокнами мембраны. Это положение усугубляется тем, что бактерии с удовольствием поселяются на поверхности мембраны и образуют там свои колонии. При больших давлениях и скоростях потоков воды, как в промышленных системах гиперфильтрации, им это не удаётся. Но в обычных бытовых капельницах — да с радостью. Тем более что вода туда поступает уже не хлорированная.

Таким образом, появляется вероятность (естественно, не 100 %), что в накопительном баке бытовой обратноосмотической системы находятся диффузионные загрязнения, в особенности бактерии и продукты их жизнедеятельности.

Вышесказанное подтверждает последняя ступень очистки воды. Её назначение — дополнительное обеззараживание воды (с помощью угля с серебром и/или ультрафиолетовой лампы). Поток воды D из бака поступает на ступень дезинфекции, а оттуда уже очищенный от бактерий поток Е подаётся на кран чистой воды. Так контролируется вторичное бактериальное загрязнение очищенной воды в бытовых многоступенчатых системах обратного осмоса.

Нужно добавить, что эффективность очистки воды многоступенчатыми осмосами очень невысока. Эффективность очистки воды — это не то же самое, что глубина очистки воды. Эффективность — это, иными словами, коэффициент полезного действия, КПД системы. То есть, соотношение концентрата (воды, которая сбрасывается в канализацию), очищенной воды и исходной воды.

Так, в процессе работы бытовой многоступенчатой осмотической системы в канализацию сбрасывается 80-85 % от входящей воды (что сильно зависит от наполенности бака; при пустом баке эффективность выше, при полном — ниже). То есть, если в день вы используете 20 литров очищенной воды, то при этом сбрасываете в канализацию 80 литров воды.

Вот такая вот проблема есть у обратного осмоса — диффузионные загрязнения воды.

Но с этим можно справиться! По крайней мере, с помощью изменения организации самой системы. Об этом — подробнее в следующих статьях.

По материалам http://voda.blox.ua/2008/08/Kak-vybrat-filtr-dlya-vody-28.html