Diffusie in vaste stoffen, vloeistoffen en gassen: definitie, omstandigheden. Grote encyclopedie van olie en gas

Om te begrijpen waar diffusie van afhangt, gaan we kijken naar de factoren die hierop van invloed zijn.

Diffusie is afhankelijk van de temperatuur. De diffusiesnelheid zal toenemen bij toenemende temperatuur, omdat naarmate de temperatuur stijgt, de bewegingssnelheid van de moleculen zal toenemen, dat wil zeggen dat de moleculen sneller zullen mengen. (Jullie weten allemaal dat het erg lang duurt voordat suiker oplost in koud water)

En bij het toevoegen externe invloed(een persoon roert suiker in water) de diffusie zal sneller verlopen. Staat van de zaak zal ook van invloed zijn op waar diffusie van afhangt, namelijk de snelheid van diffusie. Thermische diffusie hangt af van het type moleculen. Als een object bijvoorbeeld van metaal is, vindt thermische diffusie sneller plaats dan wanneer het object van synthetisch materiaal zou zijn gemaakt. Diffusie tussen vaste materialen vindt zeer langzaam plaats.

De diffusiesnelheid hangt dus af van: temperatuur, concentratie, externe invloeden, aggregatietoestand van de stof

Verspreiding is van groot belang in de natuur en in het menselijk leven.

Voorbeelden van diffusie

Laten we, om beter te begrijpen wat diffusie is, ernaar kijken met voorbeelden. Laten we samen voorbeelden geven van het diffusieproces in gassen. Varianten van de manifestatie van dit fenomeen kunnen als volgt zijn:

Het verspreiden van de geur van bloemen;

Het verspreiden van de geur van gegrilde kip, waar puppy Antoshka zo dol op is;

Tranen bij het hakken van uien;

Een spoor van parfum dat in de lucht voelbaar is.

De gaten tussen de deeltjes in de lucht zijn vrij groot, de deeltjes bewegen chaotisch, dus de diffusie van gasvormige stoffen vindt vrij snel plaats.

Een eenvoudig en toegankelijk voorbeeld van de diffusie van vaste stoffen is om twee stukken veelkleurige plasticine te nemen en deze met je handen te kneden, waarbij je observeert hoe de kleuren zich vermengen. En dienovereenkomstig zal het, zonder invloed van buitenaf, als je eenvoudigweg twee stukken tegen elkaar drukt, maanden of zelfs jaren duren voordat de twee kleuren zich als het ware een beetje vermengen en in elkaar doordringen.

De manifestaties van diffusie in vloeistoffen kunnen als volgt zijn:

Een druppel inkt oplossen in water;

- “Het linnen is vervaagd” de kleur van natte stoffen;

Groenten inmaken en jam maken

Dus, diffusie is het mengen van moleculen van een stof tijdens hun willekeurige thermische beweging.

Van de talrijke verschijnselen in de natuurkunde is het diffusieproces een van de eenvoudigste en meest begrijpelijke. Elke ochtend heeft iemand bij het bereiden van aromatische thee of koffie immers de mogelijkheid om deze reactie in de praktijk te observeren. Laten we meer te weten komen over dit proces en de voorwaarden voor het optreden ervan in verschillende aggregatietoestanden.

Wat is diffusie

Dit woord verwijst naar de penetratie van moleculen of atomen van de ene stof tussen vergelijkbare structurele eenheden van een andere. In dit geval wordt de concentratie van penetrerende verbindingen gelijk gemaakt.

Dit proces werd voor het eerst in detail beschreven door de Duitse wetenschapper Adolf Fick in 1855.

De naam van deze term is afgeleid van het Latijnse diffusio (interactie, spreiding, distributie).

Verspreiding in vloeistof

Het onderhavige proces kan plaatsvinden bij stoffen in alle drie de aggregatietoestanden: gasvormig, vloeibaar en vast. Kijk voor praktische voorbeelden hiervan maar eens in de keuken.

Borsjt die op het fornuis suddert, is er één van. Onder invloed van de temperatuur reageren de moleculen van glucosine betanine (de stof waardoor bieten zo'n rijke scharlakenrode kleur hebben) gelijkmatig met watermoleculen, waardoor het een unieke bordeauxrode tint krijgt. Dit geval bevindt zich in vloeistoffen.

Naast borsjt is dit proces ook terug te zien in een glas thee of koffie. Beide dranken hebben zo'n uniforme, rijke tint vanwege het feit dat het brouwsel of de koffiedeeltjes, opgelost in water, zich gelijkmatig tussen de moleculen verspreiden en deze kleuren. De werking van alle populaire instantdrankjes uit de jaren negentig is gebaseerd op hetzelfde principe: Yupi, Invitation, Zuko.

Interpenetratie van gassen

Atomen en moleculen die geur met zich meebrengen, zijn actief in beweging en vermengen zich als gevolg daarvan met deeltjes die al in de lucht zitten en worden redelijk gelijkmatig door de kamer verspreid.

Dit is een manifestatie van diffusie in gassen. Het is vermeldenswaard dat het inademen van lucht zelf ook verband houdt met het beschouwde proces, evenals de smakelijke geur van vers bereide borsjt in de keuken.

Diffusie in vaste stoffen

De keukentafel, waarop bloemen staan, is bedekt met een felgeel tafelkleed. Het kreeg een vergelijkbare tint vanwege het vermogen van diffusie in vaste stoffen.

Het proces om het canvas een uniforme schaduw te geven, vindt als volgt in verschillende fasen plaats.

1. Deeltjes geel pigment diffundeerden in de verftank naar het vezelmateriaal.
2. Vervolgens werden ze geabsorbeerd door het buitenoppervlak van de te verven stof.
3. De volgende stap was om de kleurstof opnieuw te verspreiden, maar deze keer in de vezels van de stof.
4. Ten slotte fixeerde de stof pigmentdeeltjes, waardoor deze gekleurd werd.

Verspreiding van gassen in metalen

Als we het over dit proces hebben, houden we meestal rekening met de interacties van stoffen in identieke aggregatietoestanden. Bijvoorbeeld diffusie in vaste stoffen, vaste stoffen. Om dit fenomeen te bewijzen wordt een experiment uitgevoerd met twee metalen platen (goud en lood) tegen elkaar gedrukt. De interpenetratie van hun moleculen vindt vrij lang plaats (één millimeter in vijf jaar). Dit proces wordt gebruikt om ongebruikelijke sieraden te maken.

Verbindingen in verschillende aggregatietoestanden kunnen echter ook diffunderen. Er is bijvoorbeeld diffusie van gassen in vaste stoffen.

Tijdens experimenten werd bewezen dat een soortgelijk proces plaatsvindt in de atomaire toestand. Om het te activeren is in de regel een aanzienlijke verhoging van de temperatuur en druk vereist.

Een voorbeeld van een dergelijke gasdiffusie in vaste stoffen is waterstofcorrosie. Het manifesteert zich in situaties waarin waterstofatomen (H2), gegenereerd tijdens een chemische reactie onder invloed van hoge temperaturen (van 200 tot 650 graden Celsius), tussen de structurele deeltjes van het metaal doordringen.

Naast waterstof kan in vaste stoffen ook diffusie van zuurstof en andere gassen voorkomen. Dit proces, onzichtbaar voor het oog, brengt veel schade met zich mee, omdat metalen constructies hierdoor kunnen instorten.

Verspreiding van vloeistoffen in metalen

Niet alleen gasmoleculen kunnen echter vaste stoffen binnendringen, maar ook vloeistoffen. Net als bij waterstof leidt dit proces meestal tot corrosie (als we het over metalen hebben).

Een klassiek voorbeeld van vloeistofdiffusie in vaste stoffen is de corrosie van metalen onder invloed van water (H 2 O) of elektrolytoplossingen. Voor de meesten is dit proces bekender onder de naam roesten. In tegenstelling tot waterstofcorrosie komt dit in de praktijk veel vaker voor.

Voorwaarden voor het versnellen van diffusie. Diffusie-coëfficient

Nadat we hebben uitgezocht in welke stoffen het betreffende proces kan plaatsvinden, is het de moeite waard om uit te zoeken wat de voorwaarden zijn voor het optreden ervan.

Allereerst hangt de diffusiesnelheid af van de aggregatietoestand waarin de op elkaar inwerkende stoffen zich bevinden. Hoe groter de reactie plaatsvindt, hoe langzamer de snelheid ervan.

In dit opzicht zal de diffusie in vloeistoffen en gassen altijd actiever zijn dan in vaste stoffen.

Als kristallen van kaliumpermanganaat KMnO 4 (kaliumpermanganaat) bijvoorbeeld in water worden gegooid, geven ze het binnen een paar minuten een prachtige karmozijnrode kleur. Als u echter KMnO 4-kristallen op een stuk ijs strooit en alles in de vriezer legt, zal het kaliumpermanganaat na enkele uren niet in staat zijn het bevroren H 2 O volledig te kleuren.

Uit het vorige voorbeeld kunnen we nog een conclusie trekken over de diffusieomstandigheden. Naast de aggregatietoestand beïnvloedt de temperatuur ook de snelheid van interpenetratie van deeltjes.

Om de afhankelijkheid van het beschouwde proces ervan te overwegen, is het de moeite waard om een ​​dergelijk concept als de diffusiecoëfficiënt te leren kennen. Dit is de naam van het kwantitatieve kenmerk van zijn snelheid.

In de meeste formules wordt dit aangegeven met de Latijnse hoofdletter D en in het SI-systeem wordt het gemeten in vierkante meter per seconde (m²/s), soms in centimeters per seconde (cm 2 /m).

De diffusiecoëfficiënt is gelijk aan de hoeveelheid stof die over een tijdseenheid door een eenheidsoppervlak wordt verspreid, op voorwaarde dat het verschil in dichtheden op beide oppervlakken (gelegen op een afstand gelijk aan een eenheidslengte) gelijk is aan één. De criteria die D bepalen zijn de eigenschappen van de stof waarin het proces van deeltjesverspreiding zelf plaatsvindt, en hun type.

De afhankelijkheid van de temperatuurcoëfficiënt kan worden beschreven met behulp van de Arrhenius-vergelijking: D = D 0exp (-E/TR).

In de beschouwde formule is E de minimale energie die nodig is om het proces te activeren; T - temperatuur (gemeten in Kelvin, niet in Celsius); R is de gasconstante, kenmerkend voor een ideaal gas.

Naast al het bovenstaande wordt de diffusiesnelheid van vaste stoffen en vloeistoffen in gassen beïnvloed door druk en straling (inductie of hoogfrequent). Bovendien hangt veel af van de aanwezigheid van een katalytische stof; vaak werkt deze als trigger voor de actieve verspreiding van deeltjes.

Diffusievergelijking

Dit fenomeen is een speciaal type partiële differentiaalvergelijking.

Het doel is om de afhankelijkheid van de concentratie van een stof te vinden van de grootte en coördinaten van de ruimte (waarin deze diffundeert), evenals van de tijd. In dit geval karakteriseert de gegeven coëfficiënt de permeabiliteit van het medium voor de reactie.

Meestal wordt de diffusievergelijking als volgt geschreven: ∂φ (r,t)/∂t = ∇ x.

Daarin is φ (t en r) de dichtheid van de verstrooiende materie op punt r op tijdstip t. D (φ, r) is de gegeneraliseerde diffusiecoëfficiënt bij dichtheid φ op punt r.

∇ is een vectordifferentiaaloperator waarvan de coördinaatcomponenten partiële afgeleiden zijn.

Wanneer de diffusiecoëfficiënt dichtheidsafhankelijk is, is de vergelijking niet-lineair. Wanneer niet - lineair.

Na de definitie van diffusie en de kenmerken van dit proces in verschillende omgevingen te hebben overwogen, kan worden opgemerkt dat het zowel positieve als negatieve kanten heeft.

Gazizova Guzel

“Stappen in de wetenschap – 2016”

Downloaden:

Voorbeeld:

Gemeentelijke budgettaire onderwijsinstelling

"Arsk middelbare school nr. 7" Arsky

Gemeentelijk district van de Republiek Tatarstan.

Republikeinse wetenschappelijke en praktische conferentie

“Stappen in de wetenschap – 2016”

Sectie: Natuurkunde en technische creativiteit

Onderzoek

Onderwerp: Observatie van diffusie in water en het effect van temperatuur op de diffusiesnelheid.

Functietitel.

Gazizova Guzel Robertovna Zinnatullin Fidaris Faisalovich

7e leerjaar leraar natuurkunde 1e kwartaal categorieën.

2016

1. Introductiepagina 3

1. Onderzoeks probleem
2. Relevantie van het onderwerp en praktische betekenis van het onderzoek
3. Object en onderwerp van onderzoek
4. Doelen en doelstellingen
5. Onderzoeks hypothese

1. Hoofddeel van het onderzoekswerk Pagina 5

1. Beschrijving van de plaats en omstandigheden van observaties en experimenten
2. Onderzoeksmethodologie, de geldigheid ervan
3. Belangrijkste resultaten van het experiment
4. Samenvatting en conclusies

1. Conclusie Pagina 6
2. Referenties Pagina 7

Diffusie (Latijnse diffusio - verspreiding, verspreiding, verstrooiing, interactie) is het proces van wederzijdse penetratie van moleculen of atomen van de ene stof tussen moleculen of atomen van een andere, wat leidt tot spontane egalisatie van hun concentraties in het hele bezette volume. In sommige situaties heeft een van de stoffen al een gelijke concentratie en wordt er gesproken over diffusie van de ene stof in de andere. In dit geval vindt de overdracht van stoffen plaats van een gebied met een hoge concentratie naar een gebied met een lage concentratie.

Als je voorzichtig water in een oplossing van kopersulfaat giet, ontstaat er een duidelijk grensvlak tussen de twee lagen (kopersulfaat is zwaarder dan water). Maar na twee dagen zal er een homogene vloeistof in het vat zijn. Dit gebeurt volledig willekeurig.

Een ander voorbeeld heeft betrekking op een vaste stof: als het ene uiteinde van een staaf verwarmd of elektrisch geladen is, verspreidt de warmte (of, dienovereenkomstig, elektrische stroom) zich van het hete (geladen) deel naar het koude (ongeladen) deel. In het geval van een metalen staaf ontwikkelt de thermische diffusie zich snel en vloeit de stroom vrijwel onmiddellijk. Als de staaf van synthetisch materiaal is gemaakt, is de thermische diffusie langzaam en de diffusie van elektrisch geladen deeltjes erg langzaam. De diffusie van moleculen is over het algemeen zelfs nog langzamer. Als je bijvoorbeeld een stukje suiker op de bodem van een glas water legt en het water niet roert, duurt het enkele weken voordat de oplossing homogeen wordt. De diffusie van de ene vaste stof in de andere vindt zelfs nog langzamer plaats. Als koper bijvoorbeeld met goud wordt bedekt, zal er diffusie van goud in het koper plaatsvinden, maar onder normale omstandigheden (kamertemperatuur en atmosferische druk) zal de goudhoudende laag pas na enkele duizenden jaren een dikte van enkele micrometers bereiken.

De eerste kwantitatieve beschrijving van diffusieprocessen werd in 1855 gegeven door de Duitse fysioloog A. Fick.

Diffusie vindt plaats in gassen, vloeistoffen en vaste stoffen, en zowel deeltjes van vreemde stoffen die zich daarin bevinden als hun eigen deeltjes kunnen diffunderen.

Verspreiding in het menselijk leven

Toen ik het fenomeen diffusie bestudeerde, kwam ik tot de conclusie dat het dankzij dit fenomeen is dat iemand leeft. Zoals u weet bestaat de lucht die we inademen immers uit een mengsel van gassen: stikstof, zuurstof, kooldioxide en waterdamp. Het bevindt zich in de troposfeer - in de onderste laag van de atmosfeer. Als er geen diffusieprocessen zouden zijn, zou onze atmosfeer eenvoudigweg stratificeren onder invloed van de zwaartekracht, die inwerkt op alle lichamen die zich op het aardoppervlak of in de buurt ervan bevinden, inclusief luchtmoleculen. Hieronder zou zich een zwaardere laag koolstofdioxide bevinden, daarboven zou zich zuurstof bevinden, daarboven zouden zich stikstof en inerte gassen bevinden. Maar voor een normaal leven hebben we zuurstof nodig, geen koolstofdioxide. Diffusie vindt ook plaats in het menselijk lichaam zelf. Menselijke ademhaling en spijsvertering zijn gebaseerd op diffusie. Als we het hebben over ademen, dan zit er op elk moment ongeveer 70 ml bloed in de bloedvaten die de longblaasjes verstrengelen, van waaruit koolstofdioxide in de longblaasjes diffundeert, en zuurstof in de tegenovergestelde richting. Het enorme oppervlak van de longblaasjes maakt het mogelijk om de dikte van de laag bloed die gassen uitwisselt met de intra-alveolaire lucht terug te brengen tot 1 micron, waardoor het mogelijk wordt om deze hoeveelheid bloed in minder dan 1 seconde met zuurstof te verzadigen en vrij te maken door overtollig kooldioxide.

Dit fenomeen heeft ook invloed op het menselijk lichaam: zuurstof uit de lucht dringt de bloedcapillairen van de longen binnen door diffusie door de wanden van de longblaasjes, lost daar vervolgens in op en verspreidt zich door het lichaam, waardoor het wordt verrijkt met zuurstof.

Diffusie wordt gebruikt in veel technologische processen: zouten, suikerproductie (suikerbietspaanders worden gewassen met water, suikermoleculen diffunderen van de spaanders in de oplossing), het maken van jam, het verven van stoffen, het wassen van kleding, cementeren, lassen en solderen van metalen, waaronder diffusielassen in vacuüm (metalen worden gelast die niet op andere manieren kunnen worden samengevoegd - staal met gietijzer, zilver met roestvrij staal, enz.) en diffusiemetallisatie van producten (oppervlakteverzadiging van staalproducten met aluminium, chroom, silicium), nitreren - verzadiging van het staaloppervlak met stikstof (staal wordt hard, slijtvast), carbonisatie - verzadiging van staalproducten met koolstof, cyanidatie - verzadiging van het staaloppervlak met koolstof en stikstof.

Zoals uit de gegeven voorbeelden blijkt, spelen diffusieprocessen een zeer belangrijke rol in het leven van mensen

Probleem: Waarom vindt diffusie anders plaats bij verschillende temperaturen?

Relevantie Ik zie uit dit onderzoek dat het onderwerp “Diffusie in vloeibare, vaste en gasvormige toestanden” niet alleen van vitaal belang is in de cursus natuurkunde. Kennis over verspreiding kan voor mij nuttig zijn in het dagelijks leven. Deze informatie helpt je bij de voorbereiding op het natuurkunde-examen voor de basis- en middelbare schoolopleiding. Ik vond het onderwerp erg leuk en besloot er dieper op in te gaan.

Object van mijn onderzoek– diffusie die plaatsvindt in water bij verschillende temperaturen, enonderwerp van studie– observaties met behulp van experimenten bij verschillende temperaturen modi.

Doel van het werk:

1. Vergroot de kennis over diffusie en de afhankelijkheid ervan van verschillende factoren.
2. Verklaar de fysische aard van het fenomeen diffusie op basis van de moleculaire structuur van materie.
3. Ontdek de afhankelijkheid van de diffusiesnelheid van de temperatuur voor mengbare vloeistoffen.
4. Bevestig theoretische feiten met experimentele resultaten.
5. Vat de opgedane kennis samen en ontwikkel aanbevelingen.

Onderzoeksdoelstellingen:

1. Onderzoek de diffusiesnelheid in water bij verschillende temperaturen.
2. Bewijs dat de verdamping van een vloeistof het resultaat is van de beweging van moleculen

Hypothese: Bij hoge temperaturen bewegen moleculen sneller en mengen zich daardoor sneller.

Het grootste deel van het onderzoekswerk

Voor mijn onderzoek heb ik twee glazen meegenomen. Hij goot warm water in de ene en koud water in de andere. Tegelijkertijd liet hij er een theezakje in vallen. Warm water werd sneller bruin dan koud water. Het is bekend dat moleculen sneller bewegen in warm water, omdat hun snelheid afhankelijk is van de temperatuur. Dit betekent dat theemoleculen sneller tussen de watermoleculen doordringen. In koud water is de snelheid van moleculen langzamer, dus het fenomeen diffusie treedt hier langzamer op. Het fenomeen van penetratie van moleculen van de ene stof tussen moleculen van een andere stof wordt diffusie genoemd.

Vervolgens schonk ik dezelfde hoeveelheid water in twee glazen. Ik liet één glas op de tafel in de kamer staan ​​en zette het andere in de koelkast. Vijf uur later vergeleek ik de waterstanden. Het bleek dat in een glas uit de koelkast het niveau praktisch niet veranderde. In de tweede daalde het niveau merkbaar. Dit wordt veroorzaakt door de beweging van moleculen. En het is groter, hoe hoger de temperatuur. Bij hogere snelheden ‘springen watermoleculen die het oppervlak naderen’ eruit. Deze beweging van moleculen wordt verdamping genoemd. De ervaring heeft geleerd dat verdamping sneller plaatsvindt bij hogere temperaturen, want hoe sneller de moleculen bewegen, hoe meer moleculen tegelijkertijd van de vloeistof wegvliegen. In koud water is de snelheid laag, waardoor ze in het glas blijven.

Conclusie:

Gebaseerd op het experiment en observaties van diffusie in water bij verschillende temperaturen, was ik ervan overtuigd dat temperatuur een grote invloed heeft op de snelheid van moleculen. Bewijs hiervan waren de verschillende verdampingsgraden. Dus hoe heter de substantie, hoe groter de snelheid van de moleculen. Hoe kouder het is, hoe langzamer de snelheid van moleculen. Daarom zal de diffusie in vloeistoffen sneller zijn bij hoge temperaturen.

Literatuur:

1. A.V. Peryshkin. Natuurkunde 7e leerjaar. M.: Trap, 2011.
2. Bibliotheek "Eerste september". M.: “Eerste september”, 2002.
3. Biofysica in natuurkundelessen. Vanuit werkervaring. M., "Verlichting", 1984.