Innhold
- TL; DR (for lang; ikke lest)
- Grahams diffusjonslov
- Fick's Laws of Diffusion
- Andre interessante fakta om diffusjonsrater
Diffusjon skjer på grunn av partikkelbevegelse. Partikler i tilfeldig bevegelse, som gassmolekyler, støter inn i hverandre etter Brownsk bevegelse, til de spres jevnt i et gitt område. Diffusjon er deretter strømmen av molekyler fra et område med høy konsentrasjon til det med lav konsentrasjon, inntil likevekt er nådd. Kort sagt beskriver diffusjon en gass, væske eller faststoff som dispergerer i et bestemt rom eller gjennom et andre stoff. Diffusjonseksempler inkluderer en parfymearoma som sprer seg i et rom, eller en dråpe grønn matfarge som sprer seg i en kopp vann. Det er en rekke måter å beregne diffusjonshastigheter på.
TL; DR (for lang; ikke lest)
Husk at begrepet "rate" refererer til endring i mengde over tid.
Grahams diffusjonslov
På begynnelsen av 1800-tallet oppdaget den skotske kjemikeren Thomas Graham (1805-1869) det kvantitative forholdet som nå bærer navnet hans. Grahams lov sier at diffusjonshastigheten til to gassformige stoffer er omvendt proporsjonal med kvadratroten til deres molære masser. Dette forholdet ble oppnådd, gitt at alle gasser funnet ved samme temperatur utviser den samme gjennomsnittlige kinetiske energien, som forstått i Kinetic Theory of Gases. Med andre ord, Grahams lov er en direkte konsekvens av at gassformede molekyler har samme gjennomsnittlige kinetiske energi når de har samme temperatur. For Grahams lov beskriver diffusjon gasser som blandes, og diffusjonshastigheten er hastigheten på den blandingen. Legg merke til at Graham's Law of Diffusion også kalles Graham's Law of Effusion, fordi effusion er et spesielt tilfelle av diffusjon. Effusjon er fenomenet når gassformede molekyler slipper gjennom et lite hull i et vakuum, evakuert rom eller kammer. Effusjonshastigheten måler hastigheten som gassen blir overført til det vakuum, evakuerte rom eller kammer. Så en måte å beregne diffusjonshastighet eller effusjonshastighet i et ordproblem er å gjøre beregninger basert på Grahams lov, som uttrykker forholdet mellom molare masser av gasser og deres diffusjons- eller effusjonshastigheter.
Fick's Laws of Diffusion
På midten av 1800-tallet formulerte den tyskfødte lege og fysiolog Adolf Fick (1829-1901) et sett med lover som regulerer oppførselen til en gass som diffunderer over en væskemembran. Ficks første lov om diffusjon uttaler at fluks, eller netto bevegelse av partikler i et spesifikt område i løpet av en bestemt tidsperiode, er direkte proporsjonal med gradientens bratt. Ficks første lov kan skrives som:
flux = -D (dC ÷ dx)
der (D) refererer til diffusjonskoeffisienten og (dC / dx) er gradienten (og er et derivat i beregningen). Så Ficks første lov sier i grunnen at tilfeldig partikkelbevegelse fra brownisk bevegelse fører til drift eller spredning av partikler fra regioner med høy konsentrasjon til lave konsentrasjoner - og at drivhastighet, eller diffusjonshastighet, er proporsjonal med gradienten av tetthet, men i motsatt retning av den gradienten (som står for det negative tegnet foran diffusjonskonstanten). Mens Ficks First Law of Diffusion beskriver hvor mye fluks det er, er det faktisk Ficks Second Law of Diffusion som ytterligere beskriver diffusjonshastigheten, og den har form av en delvis differensialligning. Ficks Second Law er beskrevet av formelen:
T = (1 ÷ ) x2
noe som betyr at tiden til diffusjon øker med kvadratet på avstanden, x. I hovedsak gir Ficks første og andre diffusjonslover informasjon om hvordan konsentrasjonsgradienter påvirker diffusjonshastigheter. Interessant nok tenkte universitetet i Washington en diett som en mnemonic for å hjelpe å huske hvordan Ficks ligninger hjelper til med å beregne diffusjonshastighet: “Fick sier hvor raskt et molekyl vil diffundere. Delta P ganger A ganger k over D er loven å bruke…. Trykkforskjell, overflateareal og konstanten k multipliseres sammen. De er delt på diffusjonsbarriere for å bestemme den eksakte diffusjonshastigheten. "
Andre interessante fakta om diffusjonsrater
Diffusjon kan oppstå i faste stoffer, væsker eller gasser. Naturligvis foregår diffusjon raskest i gasser og tregest i faste stoffer. Diffusjonsrater kan også påvirkes av flere faktorer. Økt temperatur forsterker for eksempel diffusjonshastigheter. Tilsvarende kan partikkelen som diffunderes og materialet den diffunderer inn påvirke diffusjonshastigheter. Legg merke til at polare molekyler diffunderer raskere i polare medier, som vann, mens ikke-polare molekyler er ikke blandbare og derved har vanskelig for å diffundere i vann. Tettheten av materialet er nok en faktor som påvirker diffusjonshastigheter. Forståelig nok diffunderer tyngre gasser langt saktere sammenlignet med deres lettere kolleger. Videre kan størrelsen på interaksjonens område påvirke diffusjonshastighetene, hvilket kan bevises av aromaen av hjemmelaget matlaging som sprer seg gjennom et lite område raskere enn det ville gjort i et større område.
Hvis diffusjon finner sted mot en konsentrasjonsgradient, må det også være en form for energi som letter diffusjonen. Tenk på hvordan vann, karbondioksid og oksygen lett kan krysse cellemembraner ved passiv diffusjon (eller osmose, i tilfelle vann). Men hvis et stort, ikke-lipidoppløselig molekyl må passere gjennom cellemembranen, er det nødvendig med aktiv transport, som er der høyenergimolekylet av adenosintrifosfat (ATP) trer inn for å lette diffusjonen over cellemembraner.