Unter den zahlreichen Phänomenen der Physik ist der Diffusionsprozess einer der einfachsten und verständlichsten. Schließlich hat eine Person jeden Morgen die Möglichkeit, sich selbst duftenden Tee oder Kaffee zuzubereiten, um diese Reaktion in der Praxis zu beobachten. Lassen Sie uns mehr über diesen Prozess und die Bedingungen für sein Auftreten in verschiedenen Aggregatzuständen erfahren.
Was ist Diffusion
Dieses Wort bezieht sich auf das Eindringen von Molekülen oder Atomen einer Substanz zwischen ähnliche Struktureinheiten einer anderen. In diesem Fall wird die Konzentration eindringender Verbindungen eingeebnet.
Dieser Prozess wurde erstmals 1855 von dem deutschen Wissenschaftler Adolf Fick detailliert beschrieben
Der Name dieses Begriffs wurde aus dem lateinischen Verbalsubstantiv diffusio (Wechselwirkung, Zerstreuung, Verteilung) gebildet.
Diffusion in einer Flüssigkeit
Der betrachtete Prozess kann bei Stoffen in allen drei Aggregatzuständen auftreten: gasförmig, flüssig und fest. Praktische Beispiele dafür finden Sie unterKüche.
Im Ofen gekochter Borschtsch ist einer davon. Unter dem Einfluss der Temperatur reagieren die Moleküle von Glucosin-Betanin (eine Substanz, aufgrund derer die Rüben eine so satte scharlachrote Farbe haben) gleichmäßig mit Wassermolekülen und verleihen ihr einen einzigartigen burgunderroten Farbton. Dieser Fall ist ein Beispiel für Diffusion in Flüssigkeiten.
Neben Borschtsch lässt sich dieser Vorgang auch in einem Glas Tee oder Kaffee beobachten. Beide Getränke haben einen so einheitlichen, satten Farbton, weil sich Teeblätter oder Kaffeepartikel, die sich in Wasser auflösen, gleichmäßig zwischen ihren Molekülen verteilen und es färben. Die Wirkungsweise aller beliebten Instantgetränke der Neunziger ist nach dem gleichen Prinzip aufgebaut: Yupi, Invite, Zuko.
Durchdringung von Gasen
Sucht man weiter nach Manifestationen des betreffenden Prozesses in der Küche, lohnt es sich, den angenehmen Duft zu schnuppern und zu genießen, der einem Strauß frischer Blumen auf dem Esstisch entströmt. Warum passiert das?
Geruchstragende Atome und Moleküle sind in aktiver Bewegung und werden daher mit bereits in der Luft befindlichen Partikeln vermischt und ziemlich gleichmäßig im Raumvolumen verteilt.
Dies ist eine Manifestation der Diffusion in Gasen. Bemerkenswert ist, dass auch das Einatmen von Luft zum betrachteten Vorgang gehört, ebenso wie der appetitliche Geruch von frisch gekochtem Borschtsch in der Küche.
Diffusion in Feststoffen
Der Küchentisch mit Blumen ist mit einer leuchtend gelben Tischdecke bedeckt. Sie erhielt einen ähnlichen Farbton dankdie Fähigkeit der Diffusion, Feststoffe zu passieren.
Der Vorgang, der Leinwand einen gleichmäßigen Farbton zu verleihen, erfolgt in mehreren Schritten wie folgt.
- Partikel von gelbem Pigment diffundieren in den Tintenbehälter in Richtung des faserigen Materials.
- Sie wurden dann von der äußeren Oberfläche des gefärbten Gewebes absorbiert.
- Der nächste Schritt bestand wieder darin, den Farbstoff zu diffundieren, aber diesmal in die Fasern des Gewebes.
- Am Ende fixierte der Stoff die Pigmentpartikel und wurde dadurch farbig.
Diffusion von Gasen in Metallen
Gewöhnlich betrachtet man bei diesem Vorgang die Wechselwirkung von Substanzen im gleichen Aggregatzustand. Zum Beispiel Diffusion in Festkörpern, Festkörpern. Zum Nachweis dieses Phänomens wird ein Experiment mit zwei gegeneinander gepressten Metallplatten (Gold und Blei) durchgeführt. Die gegenseitige Durchdringung ihrer Moleküle dauert ziemlich lange (ein Millimeter in fünf Jahren). Dieser Prozess wird verwendet, um ungewöhnlichen Schmuck herzustellen.
Aber auch Verbindungen in unterschiedlichen Aggregatzuständen sind diffusionsfähig. Beispielsweise gibt es eine Diffusion von Gasen in Festkörpern.
Während der Experimente wurde bewiesen, dass ein solcher Prozess im atomaren Zustand abläuft. Um es zu aktivieren, ist in der Regel eine erhebliche Temperatur- und Druckerhöhung erforderlich.
Ein Beispiel für eine solche Gasdiffusion in Feststoffen ist die Wasserstoffkorrosion. Es manifestiert sich in Situationen, in denenWasserstoffatome (Н2), die im Laufe einer chemischen Reaktion unter dem Einfluss hoher Temperaturen (von 200 bis 650 Grad Celsius) entstanden sind, dringen zwischen die Strukturpartikel des Metalls ein.
Neben Wasserstoff können auch Sauerstoff und andere Gase in Festkörpern diffundieren. Dieser für das Auge nicht wahrnehmbare Vorgang richtet großen Schaden an, da Metallkonstruktionen dadurch zusammenbrechen können.
Diffusion von Flüssigkeiten in Metallen
Aber nicht nur Gasmoleküle können in Festkörper eindringen, sondern auch Flüssigkeiten. Wie bei Wasserstoff führt dieser Vorgang meistens zu Korrosion (bei Metallen).
Ein klassisches Beispiel für Flüssigkeitsdiffusion in Festkörpern ist die Korrosion von Metallen unter dem Einfluss von Wasser (H2O) oder Elektrolytlösungen. Den meisten ist dieser Vorgang eher unter dem Namen Rosten bekannt. Im Gegensatz zu Wasserstoffkorrosion ist sie in der Praxis deutlich häufiger anzutreffen.
Bedingungen für die Beschleunigung der Diffusion. Diffusionskoeffizient
Nachdem wir uns mit den Stoffen befasst haben, in denen der betrachtete Vorgang ablaufen kann, lohnt es sich, die Bedingungen für sein Auftreten zu kennen.
Zunächst hängt die Diffusionsgeschwindigkeit vom Aggregatzustand der interagierenden Substanzen ab. Je größer die Dichte des Materials ist, in dem die Reaktion stattfindet, desto langsamer ist ihre Geschwindigkeit.
Dabei ist die Diffusion in Flüssigkeiten und Gasen immer aktiver als in Festkörpern.
Zum Beispiel, wenn die KristalleKaliumpermanganat KMnO4 (Kaliumpermanganat) in Wasser werfen, es wird eine schöne Himbeerfarbe geben in wenigen Minuten Farbe. Wenn Sie jedoch Kristalle von KMnO4 auf ein Stück Eis streuen und alles in den Gefrierschrank stellen, wird nach ein paar Stunden Kaliumpermanganat entstehen kann das eingefrorene H 2O. nicht vollständig färben
Aus dem vorigen Beispiel lässt sich noch ein weiterer Schluss auf die Diffusionsbedingungen ziehen. Neben dem Aggregatzustand beeinflusst auch die Temperatur die Geschwindigkeit der gegenseitigen Durchdringung von Partikeln.
Um die Abhängigkeit des betrachteten Prozesses davon zu berücksichtigen, lohnt es sich, etwas über ein Konzept wie den Diffusionskoeffizienten zu lernen. So heißt das quantitative Merkmal seiner Geschwindigkeit.
In den meisten Formeln wird es mit einem großen lateinischen Buchstaben D bezeichnet und im SI-System in Quadratmetern pro Sekunde (m² / s), manchmal in Zentimetern pro Sekunde (cm2 /m).
Der Diffusionskoeffizient ist gleich der Menge an Materie, die über eine Einheitsfläche in einer Zeiteinheit gestreut wird, vorausgesetzt, dass der Dichteunterschied auf beiden Oberflächen (im Abstand von einer Längeneinheit) gleich eins ist. Die Kriterien, die D bestimmen, sind die Eigenschaften der Substanz, in der der Teilchenstreuprozess selbst stattfindet, und deren Art.
Die Abhängigkeit des Koeffizienten von der Temperatur lässt sich mit der Arrhenius-Gleichung beschreiben: D=D0exp(-E/TR).
In der betrachteten Formel ist E die minimale Energie, die erforderlich ist, um den Prozess zu aktivieren; T - Temperatur (gemessen in Kelvin, nicht Celsius); R-Gaskonstante, charakteristisch für ein ideales Gas.
Darüber hinaus wird die Diffusionsgeschwindigkeit in Feststoffen, Flüssigkeiten in Gasen durch Druck und Strahlung (induktiv oder hochfrequent) beeinflusst. Darüber hinaus hängt viel von der Anwesenheit einer katalytischen Substanz ab, oft wirkt sie als Auslöser für den Beginn der aktiven Dispersion von Partikeln.
Diffusionsgleichung
Dieses Phänomen ist eine besondere Form der partiellen Differentialgleichung.
Ihr Ziel ist es, die Abhängigkeit der Konzentration eines Stoffes von der Größe und den Koordinaten des Raumes (in den er diffundiert) sowie der Zeit zu finden. Der angegebene Koeffizient charakterisiert dabei die Durchlässigkeit des Mediums für die Reaktion.
Meistens wird die Diffusionsgleichung wie folgt geschrieben: ∂φ (r, t)/∂t=∇ x [D(φ, r) ∇ φ (r, t)].
Dabei ist φ (t und r) die Dichte der streuenden Substanz am Punkt r zur Zeit t. D (φ, r) - verallgemeinerter Diffusionskoeffizient bei Dichte φ am Punkt r.
∇ - Vektordifferentialoperator, dessen Komponenten partielle Ableitungen in Koordinaten sind.
Wenn der Diffusionskoeffizient dichteabhängig ist, ist die Gleichung nichtlinear. Wenn nicht - linear.
Nachdem wir die Definition von Diffusion und die Merkmale dieses Prozesses in verschiedenen Umgebungen betrachtet haben, kann festgestellt werden, dass es sowohl positive als auch negative Seiten hat.
