Inhalt
- TL; DR (zu lang; nicht gelesen)
- Grahams Diffusionsgesetz
- Ficks Diffusionsgesetze
- Weitere interessante Fakten zu Diffusionsraten
Die Diffusion erfolgt aufgrund der Partikelbewegung. Partikel in zufälliger Bewegung, wie Gasmoleküle, stoßen nach der Brownschen Bewegung ineinander, bis sie sich in einem bestimmten Bereich gleichmäßig verteilen. Die Diffusion ist dann der Fluss von Molekülen aus einem Bereich hoher Konzentration in einen Bereich niedriger Konzentration, bis das Gleichgewicht erreicht ist. Kurz gesagt beschreibt Diffusion ein Gas, eine Flüssigkeit oder einen Feststoff, die sich in einem bestimmten Raum oder in einer zweiten Substanz verteilen. Diffusionsbeispiele umfassen ein Parfümaroma, das sich in einem Raum ausbreitet, oder einen Tropfen grüne Lebensmittelfarbe, die sich in einer Tasse Wasser verteilt. Es gibt eine Reihe von Möglichkeiten, die Diffusionsraten zu berechnen.
TL; DR (zu lang; nicht gelesen)
Denken Sie daran, dass sich der Begriff "Rate" auf die Änderung einer Menge im Laufe der Zeit bezieht.
Grahams Diffusionsgesetz
Im frühen 19. Jahrhundert entdeckte der schottische Chemiker Thomas Graham (1805-1869) die quantitative Beziehung, die heute seinen Namen trägt. Grahams Gesetz besagt, dass die Diffusionsrate zweier gasförmiger Substanzen umgekehrt proportional zur Quadratwurzel ihrer Molmassen ist. Diese Beziehung wurde erreicht, da alle bei der gleichen Temperatur gefundenen Gase die gleiche durchschnittliche kinetische Energie aufweisen, wie sie in der kinetischen Theorie der Gase verstanden wird. Mit anderen Worten, das Grahamsche Gesetz ist eine direkte Folge davon, dass die gasförmigen Moleküle bei gleicher Temperatur die gleiche durchschnittliche kinetische Energie haben. Nach dem Grahamschen Gesetz beschreibt die Diffusion das Mischen von Gasen, und die Diffusionsrate ist die Rate dieses Mischens. Beachten Sie, dass das Graham'sche Diffusionsgesetz auch als Graham'sches Effusionsgesetz bezeichnet wird, da es sich bei dem Effusionsgesetz um einen speziellen Diffusionsfall handelt. Erguss ist das Phänomen, wenn gasförmige Moleküle durch ein winziges Loch in ein Vakuum, einen evakuierten Raum oder eine Kammer entweichen. Die Effusionsrate misst die Geschwindigkeit, mit der dieses Gas in das Vakuum, den evakuierten Raum oder die Kammer übertragen wird. Eine Möglichkeit, die Diffusionsrate oder die Effusionsrate in einem Wortproblem zu berechnen, besteht darin, Berechnungen auf der Grundlage des Grahamschen Gesetzes durchzuführen, das die Beziehung zwischen den Molmassen von Gasen und ihren Diffusions- oder Effusionsraten ausdrückt.
Ficks Diffusionsgesetze
In der Mitte des 19. Jahrhunderts formulierte der in Deutschland geborene Arzt und Physiologe Adolf Fick (1829-1901) eine Reihe von Gesetzen, die das Verhalten eines Gases regeln, das durch eine Flüssigkeitsmembran diffundiert. Das erste Diffusionsgesetz von Fick besagt, dass der Fluss oder die Nettobewegung von Partikeln in einem bestimmten Bereich innerhalb eines bestimmten Zeitraums direkt proportional zur Steilheit des Gradienten ist. Ficks erstes Gesetz kann geschrieben werden als:
Fluss = -D (dC ÷ dx)
wobei (D) sich auf den Diffusionskoeffizienten bezieht und (dC / dx) der Gradient ist (und eine Ableitung im Kalkül ist). Das erste Gesetz von Fick besagt also grundsätzlich, dass zufällige Partikelbewegungen aufgrund der Brownschen Bewegung dazu führen, dass Partikel aus Regionen hoher Konzentration in niedrige Konzentrationen verschoben oder verteilt werden - und dass die Driftrate oder Diffusionsrate proportional zum Dichtegradienten ist, jedoch in der entgegengesetzte Richtung zu diesem Gradienten (der das negative Vorzeichen vor der Diffusionskonstante berücksichtigt). Während das erste Diffusionsgesetz von Fick beschreibt, wie viel Fluss vorhanden ist, beschreibt das zweite Diffusionsgesetz von Fick die Diffusionsrate genauer und hat die Form einer partiellen Differentialgleichung. Ficks zweites Gesetz wird durch die Formel beschrieben:
T = (1 ÷ )X2
was bedeutet, dass die Zeit zum Diffundieren mit dem Quadrat der Entfernung x zunimmt. Im Wesentlichen liefern Ficks erster und zweiter Diffusionssatz Informationen darüber, wie sich Konzentrationsgradienten auf die Diffusionsraten auswirken. Interessanterweise hat die Universität von Washington ein Liedchen als Mnemon entwickelt, um sich daran zu erinnern, wie Ficks Gleichungen bei der Berechnung der Diffusionsrate helfen: „Fick sagt, wie schnell ein Molekül diffundieren wird. Delta P mal A mal k über D ist das anzuwendende Gesetz…. Druckdifferenz, Oberfläche und die Konstante k werden miteinander multipliziert. Sie werden durch die Diffusionsbarriere geteilt, um die genaue Diffusionsrate zu bestimmen. "
Weitere interessante Fakten zu Diffusionsraten
Die Diffusion kann in Feststoffen, Flüssigkeiten oder Gasen erfolgen. Die Diffusion erfolgt natürlich am schnellsten in Gasen und am langsamsten in Feststoffen. Die Diffusionsraten können ebenfalls von mehreren Faktoren beeinflusst werden. Beispielsweise beschleunigt eine erhöhte Temperatur die Diffusionsraten. Ebenso können das zu diffundierende Partikel und das Material, in das es diffundiert, die Diffusionsraten beeinflussen. Beachten Sie zum Beispiel, dass polare Moleküle in polaren Medien wie Wasser schneller diffundieren, während unpolare Moleküle nicht mischbar sind und daher Schwierigkeiten haben, in Wasser zu diffundieren. Die Dichte des Materials ist ein weiterer Faktor, der die Diffusionsraten beeinflusst. Verständlicherweise diffundieren schwerere Gase viel langsamer als leichtere. Darüber hinaus kann sich die Größe des Wechselwirkungsbereichs auf die Diffusionsraten auswirken, was durch das Aroma der Hausmannskost deutlich wird, die sich auf einer kleinen Fläche schneller verteilt als auf einer größeren Fläche.
Wenn die Diffusion gegen einen Konzentrationsgradienten stattfindet, muss es eine Form von Energie geben, die die Diffusion erleichtert. Überlegen Sie, wie Wasser, Kohlendioxid und Sauerstoff durch passive Diffusion (oder im Falle von Wasser durch Osmose) leicht Zellmembranen passieren können. Wenn jedoch ein großes, nicht lipidlösliches Molekül die Zellmembran passieren muss, ist ein aktiver Transport erforderlich, bei dem das energiereiche Molekül Adenosintriphosphat (ATP) eingreift, um die Diffusion über Zellmembranen zu erleichtern.