Molekylær diffusjon

Molekylær diffusjon , ofte bare kalt diffusjon , er den termiske bevegelsen til alle partikler (væske eller gass) ved temperaturer over absolutt null . Hastigheten på denne bevegelsen er en funksjon av temperaturen, viskositeten til væsken og størrelsen (massen) på partiklene. Diffusjon står for nettostrømmen av molekyler fra et område med høyere konsentrasjon til et område med lavere konsentrasjon. Når konsentrasjonene er like, fortsetter molekylene å bevege seg, men siden det ikke er noen konsentrasjonsgradient, har prosessen med molekylær diffusjon opphørt og styres i stedet av prosessen med selvdiffusjon , som stammer fra tilfeldig bevegelse av molekylene. Resultatet av diffusjon er en gradvis blanding av materiale slik at fordelingen av molekyler er jevn. Siden molekylene fortsatt er i bevegelse, men en likevekt er etablert, kalles sluttresultatet av molekylær diffusjon " dynamisk likevekt ". I en fase med jevn temperatur, uten eksterne nettokrefter som virker på partiklene, vil diffusjonsprosessen til slutt resultere i fullstendig blanding.

Tenk på to systemer; S 1 og S 2 ved samme temperatur og i stand til å utveksle partikler . Hvis det er en endring i den potensielle energien til et system; for eksempel μ 1 >μ 2 (μ er kjemisk potensial ) vil en strøm av energi fra S 1 til S 2 finne sted , fordi naturen alltid foretrekker lav energi og maksimal entropi .

Molekylær diffusjon beskrives vanligvis matematisk ved å bruke Ficks diffusjonslover .

Applikasjoner

Diffusjon er av grunnleggende betydning i mange disipliner innen fysikk, kjemi og biologi. Noen eksempler på kringkastingsapplikasjoner:

Sintring for å produsere faste materialer ( pulvermetallurgi , keramisk produksjon )
Kjemisk reaktordesign _
Katalysatordesign i kjemisk industri
Stål kan diffuseres (for eksempel med karbon eller nitrogen) for å endre egenskapene
Doping under halvlederproduksjon

Betydning

Diffusjon er en del av transportfenomenene . Av massetransportmekanismene er molekylær diffusjon kjent for å være den tregeste.

Biologi

Se også: Diffusjon , Osmose og Passiv transport .

I cellebiologi er diffusjon en viktig form for transport for nødvendige materialer som aminosyrer i celler. [ 1 ] Diffusjonen av løsemidler, som vann, over en semipermeabel membran er klassifisert som osmose .

Metabolisme og respirasjon avhenger delvis av diffusjon, i tillegg til aktive eller bulk-prosesser . For eksempel, i alveolene til pattedyrlungene , på grunn av forskjeller i partialtrykk i alveolær -kapillærmembranen, diffunderer oksygen inn i blodet og karbondioksid diffunderer ut. Lungene inneholder et stort overflateareal for å lette denne gassutvekslingsprosessen.

Spordiffusjon, selvdiffusjon og kjemisk diffusjon

I utgangspunktet skilles to typer diffusjon:

Tracerdiffusjon og selvdiffusjon , som er en spontan blanding av molekyler som finner sted i fravær av konsentrasjonsgradienten (eller kjemisk potensial). Denne typen diffusjon kan følges ved å bruke isotopiske markører , derav navnet. Diffusjon av sporstoffet antas vanligvis å være identisk med selvdiffusjon (forutsatt ingen signifikant isotopeffekt ). Denne diffusjonen kan skje i likevekt. En utmerket metode for måling av selvdiffusjonskoeffisienter er pulsert feltgradient (PFG) NMR , hvor isotopiske sporstoffer ikke er nødvendig. I et såkalt magnetisk resonansekko NMR- eksperimentbruker denne teknikken kjernespinnpresesjonsfasen, som gjør det mulig å skille kjemisk og fysisk helt identiske arter, for eksempel i væskefasen, som vannmolekyler i det flytende vannet. Selvdiffusjonskoeffisienten til vann er eksperimentelt bestemt med høy presisjon og fungerer derfor ofte som referanseverdi for målinger i andre væsker. Selvdiffusjonskoeffisienten for rent vann er: 2.299 · 10 −9 m² · s −1 ved 25 °C og 1.261 · 10 −9 m² · s −1 ved 4 °C. [ 2 ]
Kjemisk diffusjon skjer i nærvær av en konsentrasjonsgradient (eller kjemisk potensial) og resulterer i netto massetransport. Dette er prosessen beskrevet av diffusjonsligningen. Denne diffusjonen er alltid en ikke-likevektsprosess, den øker entropien til systemet og bringer systemet nærmere likevekt.

Diffusjonskoeffisientene for disse to diffusjonstypene er generelt forskjellige fordi diffusjonskoeffisienten for kjemisk diffusjon er binær og inkluderer effekter på grunn av korrelasjonen av bevegelsen til de forskjellige diffusjonsartene.

Ikke-likevektssystem

Fordi kjemisk diffusjon er en netto transportprosess, er ikke systemet den finner sted i et likevektssystem (dvs. ennå ikke i ro). Mange resultater i klassisk termodynamikk gjelder ikke lett for systemer som ikke er i likevekt. Imidlertid oppstår noen ganger såkalte kvasi-steady states, hvor diffusjonsprosessen ikke endrer seg med tiden, hvor de klassiske resultatene kan brukes lokalt. Som navnet antyder, er ikke denne prosessen en ekte likevekt, siden systemet fortsatt utvikler seg.

Væskesystemer som ikke er i likevekt kan med suksess modelleres med fluktuerende Landau-Lifshitz hydrodynamikk. I dette teoretiske rammeverket skyldes diffusjon fluktuasjoner hvis dimensjoner spenner fra den molekylære skalaen til den makroskopiske skalaen. [ 3 ]

Kjemisk diffusjon øker entropien til et system, det vil si at diffusjon er en spontan og irreversibel prosess. Partikler kan spre seg ved diffusjon, men de vil ikke spontant omorganisere seg selv (ingen endring i systemet, forutsatt at det ikke dannes nye kjemiske bindinger og ingen ytre krefter virker på partikkelen).

"Kollektiv" diffusjonsavhengig konsentrasjon

Kollektiv diffusjon er diffusjon av et stort antall partikler, oftest i et løsemiddel .

I motsetning til Brownsk bevegelse , som er diffusjonen av en enkelt partikkel, kan interaksjoner mellom partiklene vurderes, med mindre partiklene danner en ideell blanding med løsningsmidlet deres (de ideelle blandingsforholdene tilsvarer tilfellet hvor interaksjonene mellom løsningsmidlet og partiklene er identisk med interaksjonene mellom partiklene og interaksjonene mellom løsningsmiddelmolekylene, i dette tilfellet samhandler ikke partiklene når de er inne i løsningsmidlet).

I tilfelle av en ideell blanding er partikkeldiffusjonsligningen sann og diffusjonskoeffisienten D , diffusjonshastigheten i partikkeldiffusjonsligningen er uavhengig av partikkelkonsentrasjonen. I andre tilfeller vil de resulterende interaksjonene mellom partikler i løsningsmidlet stå for følgende effekter:

Diffusjonskoeffisienten D i partikkeldiffusjonsligningen blir konsentrasjonsavhengig. For en attraktiv interaksjon mellom partikler har diffusjonskoeffisienten en tendens til å avta når konsentrasjonen øker. For en frastøtende interaksjon mellom partikler har diffusjonskoeffisienten en tendens til å øke når konsentrasjonen øker.
Ved en attraktiv interaksjon mellom partiklene viser partiklene en tendens til å komme sammen og danne klumper hvis konsentrasjonen deres er over en viss terskel. Dette tilsvarer en kjemisk utfellingsreaksjon (og hvis de diffuserende partiklene som vurderes er kjemiske molekyler i løsning, er det en nedbør ).

Molekylær diffusjon av gasser

Transporten av materiale i en stillestående væske eller gjennom væskestrømlinjer i laminær strømning skjer ved molekylær diffusjon. To tilstøtende rom adskilt av en skillevegg kan vurderes, inneholdende rene gasser A eller B. Tilfeldig bevegelse av alle molekyler skjer, slik at molekylene etter en periode er langt fra sine opprinnelige posisjoner. Hvis partisjonen fjernes, beveger noen molekyler av A seg inn i regionen okkupert av B, hvor antallet avhenger av antall molekyler på det aktuelle punktet. Samtidig diffunderer B-molekylene inn i regimene som tidligere var okkupert av den rene A. Til slutt skjer fullstendig blanding. Før dette tidspunktet er det en gradvis variasjon i konsentrasjonen av A langs en akse, kalt x, som forbinder de opprinnelige rommene. Denne variasjonen, uttrykt matematisk som -dC A / dx, hvor C A er konsentrasjonen av A. Det negative tegnet oppstår fordi konsentrasjonen av A avtar når avstanden x øker. Tilsvarende er endringen i konsentrasjon av gass B -dC B /dx. Diffusjonshastigheten til A, N A , avhenger av konsentrasjonsgradienten og gjennomsnittshastigheten som A-molekylene beveger seg med i x-retningen. Dette forholdet kommer til uttrykk i Ficks lov.

N_{A}=-D_{AB}{\frac {dC_{A}}{dx}}

(gjelder kun for ikke-massebevegelser)

hvor D er diffusiviteten fra A til B, proporsjonal med gjennomsnittlig molekylhastighet og dermed avhengig av temperatur og trykk til gassene. Diffusjonshastighet NA uttrykkes vanligvis som antall mol som diffunderer per arealenhet i tidsenhet. Som med den grunnleggende varmeoverføringsligningen, indikerer dette at krafthastigheten er direkte proporsjonal med drivkraften, som er konsentrasjonsgradienten.

Denne grunnleggende ligningen gjelder for en rekke situasjoner. Ved å begrense diskusjonen utelukkende til steady-state forhold, der verken dC A /dx eller dC B /dx endres med tiden, vurderes ekvimolekylær motdiffusjon først.

Ekvimolekylær motdiffusjon

Hvis det ikke forekommer massestrøm i et element med lengde dx, må diffusjonshastighetene til to ideelle gasser (med lignende molarvolum ) A og B være like og motsatte, det vil si . $N_{A}=-N_{B}$

Partialtrykket til A endres med dP A over avstanden dx. Tilsvarende endrer partialtrykket til B dP B. Siden det ikke er noen forskjell i totalt trykk over elementet (ingen massestrøm), har vi

{\frac {dP_{A}}{dx}}=-{\frac {dP_{B}}{dx}}

For en ideell gass er partialtrykket relatert til den molare konsentrasjonen av forholdet

P_{A}V=n_{A}RT

hvor n A er antall mol gass A i et volum V. Siden den molare konsentrasjonen C A er lik n A / V, er derfor

P_{A}=C_{A}RT

Følgelig, for gass A,

N_{A}=-D_{AB}{\frac {1}{RT}}{\frac {dP_{A}}{dx}}

hvor D AB er diffusiviteten til A ved B. Tilsvarende,

N_{B}=-D_{BA}{\frac {1}{RT}}{\frac {dP_{B}}{dx}}=D_{AB}{\frac {1}{RT} }{\frac {dP_{A}}{dx}}

Ta i betraktning at dP A / dx = -dP B / dx, derfor bevis at D AB = D BA = D. Hvis partialtrykket til A ved x 1 er P A 1 og x 2 er P A 2 , vil integrasjonen av ligningen ovenfor,

N_{A}=-{\frac {D}{RT}}{\frac {(P_{A2}-P_{A1})}{x_{2}-x_{1}}}

En lignende ligning kan utledes for motdiffusjonen av gass B.

Se også

Diffusjon
Ambipolar diffusjon
unormal diffusjon
Batchelor-skala
Bohm diffusjon
Dobbel diffusiv konveksjon
dra (fysikk)
Ficks diffusjonslover
Lokal tid (matematikk)
masseoverføring
massestrøm
Osmose
gjennomtrengning
Relativistisk varmeledning
transportfenomener
turbulent diffusjon
Goo
stiv rotor

Referanser

↑ Maton, Anthea; John Hopkins; Susan Johnson; David LaHart; Maryanna Quon-Warner; Jill D. Wright (1997). Celler Byggesteiner i livet . Upper Saddle River, NJ: Prentice Hall. s. 66–67 . (krever registrering) .
↑ M. Holz, SR Heil, A. Sacco: Temperaturavhengige selvdiffusjonskoeffisienter for vann og seks molekylære væsker valgt for kalibrering i nøyaktige 1H NMR PFG-målinger. I: Phys. Chem. Chem. Phys. 2 , 4740–4742 (2000).
↑ D. Brogioli og A. Vailati, Diffusive Mass Transfer by Imbalance Fluctuations: A Revision of Ficks Law , Phys. Rev. E 63 , 012105/1-4 (2001)

Eksterne lenker

Dette verket inneholder en avledet oversettelse av " Molecular diffusion " fra engelsk Wikipedia, nærmere bestemt denne versjonen , utgitt av utgiverne under GNU Free Documentation License og Creative Commons Attribution-ShareAlike 3.0 Unported License .