Диффузия

Диффузия – фундаментальное  явление природы. Оно лежит в  основе превращений вещества и энергии. Его проявления имеют место на всех уровнях организации природных  систем на нашей планете, начиная  с уровня элементарных частиц, атомов и молекул, и заканчивая геосферой. Оно широко используется в технике, в повседневной жизни.  
Сущность диффузии – движение частиц среды, приводящее к переносу веществ и выравниванию концентраций или к установлению равновесного распределения частиц данного вида в среде. Диффузия молекул и атомов обусловленным их тепловым движением.

Процесс диффузии представляет собой один из механизмов проявления II закона термодинамики, согласно которому любая система стремится перейти  в более равновесное состояние, то есть устойчивое состояние, характеризующееся возрастанием энтропии и минимума энергии.  
Диффузия является одним из важнейших технологических процессов при изготовлении любых видов электронных приборов и микросхем.

Диффузия является фундаментальным  процессом, лежащим в основе функционирования живых систем любого уровня организации, начиная с уровня элементарных частиц (электронная диффузия) и заканчивая биосферным уровнем (круговоротом веществ в биосфере).

Явление диффузии широко используется и на практике. В повседневной жизни – заварка чая, консервирование овощей, изготовление варений. В производстве – цементация (…стальных деталей, для повышения их твердости и жаростойкости) процессы алитирования и оксидирования.

Пассивная диффузия

Пассивная диффузия веществ. Процесс пассивной диффузии веществ  протекает без затраты энергии  и возможен в обоих направлениях, т. е. как внутрь клетки, так и из нее. Пассивная диффузия вещества всегда направлена в сторону меньшей  его концентрации (по градиенту концентрации). Например, после приема внутрь препарат диффундирует из желудочно-кишечного тракта в кровь, а затем из крови в ткани. После снижения концентраций лекарства в крови в результате его разрушения или выведения почками направление диффузии меняется — препарат поступает из ткани в кровь.

Поскольку в мембранах  имеется фосфолипидный слой, через  него внутрь клетки легко проникают  вещества, хорошо растворимые в липидах. Скорость диффузии таких веществ  не зависит от размера молекул  и определяется степенью их липофилъности.

Липофильность соединений зависит, в свою очередь, от степени  ионизации молекул. Нейтральные  молекулы более липофиль-ны и диффундируют легче, чем ионы и полярные молекулы. 
Процентное соотношение между нейтральными молекулами и ионами веществ зависит от величины их рК 1 и рН среды. 
1 рК вещества — это то значение рН, при котором половина молекул вещества диссоциирована.

Поскольку разные жидкости и ткани организма имеют разное значение рН, то и степень диссоциации  лекарственного вещества в различных средах неодинакова. Это обстоятельство влияет на скорость диффузии веществ из одной среды в другую.

Установлено, что увеличение рН среды ведет к диссоциации  кислот, а снижение рН — к диссоциации  оснований. Например, у ацетилсалициловой кислоты (рК 3,5), принятой внутрь во время или сразу после еды, недиссоциированных молекул больше, чем ионизированных, поэтому препарат будет легко всасываться уже в желудке. Если ацетилсалициловая кислота принята натощак, и рН желудочного сока выше ее рК, то большая часть принятой дозы будет находиться в виде ионов, которые всасываться не будут. 
Процесс пассивной диффузии имеет важное значение для транспорта лекарственных веществ. Ведь большинство лекарственных средстд являются слабыми кислотами или слабыми основаниями и находятся в крови, тканях и тканевых жидкостях (рН близко к 7,0) преимущественно в форме неионизированных молекул, способных растворяться в липидах. 
Некоторые лекарственные вещества (пуриновые и пиримиди-новые основания нуклеиновых кислот) способны взаимодействовать с определенными компонентами клеточных мембран, и скорость их транспорта через мембраны становится выше, чем при пассивной диффузии. Такую диффузию называют облегченной.

Вещества, нерастворимые  в липидах, плохо диффундируют через биологические мембраны и могут частично проникать внутрь клеток путем фильтрации через поры клеточных стенок. Величина пор не превышает 0,4 нм 2, поэтому более крупные молекулы веществ, плохо растворимых в липидах, не могут проникнуть через биологические мембраны.

Коэффициент диффузии

Коэффициент Диффузия в  жидкости увеличивается с температурой, что обусловлено «разрыхлением» структуры жидкости при нагреве  и соответствующим увеличением  числа перескоков в единицу времени.

В твёрдом теле могут  действовать несколько механизмов Диффузия: обмен местами атомов с вакансиями (незанятыми узлами кристаллической решётки), перемещение атомов по междоузлиям, одновременное циклическое перемещение нескольких атомов, прямой обмен местами двух соседних атомов и т.д. Первый механизм преобладает, например, при образовании твёрдых растворов замещения, второй — твёрдых растворов внедрения.

Коэффициент Диффузия в  твёрдых телах крайне чувствителен к дефектам кристаллической решётки, возникшим при нагреве, напряжениях, деформациях и др. воздействиях. Увеличение числа дефектов (главном образом вакансий) облегчает перемещение атомов в твёрдом теле и приводит к росту коэффициента Диффузия Для коэффициента Диффузия в твёрдых телах характерна резкая (экспоненциальная) зависимость от температуры. Так, коэффициент Диффузия цинка в медь при повышении температуры от 20 до 300°С возрастает в 10¹⁴ раз.

Значение коэффициента диффузии (при атмосферном давлении)

Для большинства научных и практических задач существенно не диффузионное движение отдельных частиц, а происходящее от него выравнивание концентрации вещества в первоначально неоднородной среде. Из мест с высокой концентрацией уходит больше частиц, чем из мест с низкой концентрацией. Через единичную площадку в неоднородной среде проходит за единицу времени безвозвратный поток вещества в сторону меньшей концентрации — диффузионный поток j. Он равен разности между числами частиц, пересекающих площадку в том и др. направлениях, и потому пропорционален градиенту концентрации ÑС (уменьшению концентрации С на единицу длины). Эта зависимость выражается законом Фика (1855):   j = -DÑC.

Единицами потока j в Международной системе единиц являются 1/м²·сек или кг/м²·сек, градиента концентрации — 1/м⁴ или кг/м⁴, откуда единицей коэффициента Диффузия является м²/сек. Математически закон Фика аналогичен уравнению теплопроводности Фурье. В основе этих явлений лежит единый механизм молекулярного переноса: в 1-м случае переноса массы, во 2-м — энергии (см. Переноса явления).

Диффузия возникает  не только при наличии в среде  градиента концентрации (или химического  потенциала). Под действием внешнего электрического поля происходит Диффузия заряженных частиц (электродиффузия), действие поля тяжести или давления вызывает бародиффузию, в неравномерно нагретой среде возникает термодиффузия.

Все экспериментальные  методы определения коэффициента Диффузия содержат два основных момента: приведение в контакт диффундирующих веществ  и анализ состава веществ, изменённого Диффузия Состав (концентрацию продиффундировавшего вещества) определяют химически, оптически (по изменению показателя преломления или поглощения света), масс-спектроскопически, методом меченых атомов и др.

Диффузия играет важную роль в химической кинетике и технологии. При протекании химической реакции на поверхности катализатора или одного из реагирующих веществ (например, горении угля) Диффузия может определять скорость подвода др. реагирующих веществ и отвода продуктов реакции, т. е. являться определяющим (лимитирующим) процессом.

Для испарения и конденсации, растворения кристаллов и кристаллизации определяющей оказывается обычно Диффузия Процесс Диффузия газов через пористые перегородки или в струю пара используется для изотопов разделения. Диффузия лежит в основе многочисленных технологических процессов — адсорбции, цементации и др. (см. Диффузионные процессы); широко применяются диффузионная сварка, диффузионная металлизация.

В жидких растворах Диффузия молекул растворителя через полупроницаемые перегородки (мембраны) приводит к возникновению осмотического давления (см. Осмос), что используется в физико-химическом методе разделения веществ — диализе.

Осмос

Если два вещества разделены полупроницаемой перегородкой (мембраной), диффузия протекает в одном направлении. Это явление называется осмосом.

Осмос от греческого – толчок, давление. При осмосе происходит выравнивание концентраций раствора по обе стороны мембраны, пропускающей малые молекулы растворителя, но не пропускавшей более крупные молекулы растворенного вещества. Схематическое изображение осмоса представлено на рис.3. Осмос протекает от чистого растворителя к раствору или от разбавленного раствора к концентрированному. Впервые осмос наблюдал французский химик Нолле в 1748 г.

Перенос молекул растворителя обусловлен осмотическим давлением или диффузионным. Это термодинамический параметр, характеризующий стремление раствора к понижению концентрации при соприкосновении с чистым растворителем.

Осмотическое давление обусловлено понижением химического потенциала растворителя в присутствии растворенного вещества. Осмотическое давление в предельно разбавленных растворах не зависит от природы растворителя и растворенных веществ; при постоянной температуре оно определяется только числом частиц. Первые измерения осмотического давления произвел немецкий ботаник Пфеффер в 1877 г., исследуя водные растворы сахара.

Растворы с одинаковым осмотическим давлением называют изоосмотическими. Так, различные кровезаменители  и физиологические растворы изоосмотичны относительно внутренних жидкостей  организма. Если один раствор в сравнении с другим имеет более высокое осмотическое давление, его называют гипертоническим, а имеющий более низкое осмотическое давление – гипотоническим. 
Практическое применение осмоса

Мембранные методы разделения основаны на различной скорости прохождения компонентов раствора или газовой смеси через полупроницаемую мембрану за счёт разницы концентрации, давления, температуры или электрического потенциала по обе стороны мембраны. Мембранные методы разделения применяются для опреснения солёных и очистки сточных вод, получения особо чистой воды, разделения углеводородов, концентрирования растворов, в том числе пищевых продуктов, биологически активных веществ, обогащения воздуха кислородом. Полупроницаемые мембраны изготовляют в виде пористых плёнок, пластин, полых нитей из полимеров, стекла, металлов. Обратный осмос используется при гиперфильтрации – метода концентрирования или уменьшения засоленности растворов, заключающийся в подаче их на полупроницаемую мембрану. Мембрана пропускает растворитель и полностью или частично задерживает растворенное вещество. Обратный осмос применяется для опреснения солёных и очистки сточных вод, разделения трудноразделимых смесей, смещения равновесия химических реакции. 
 В настоящее время во всем мире действует свыше 2000 заводов по опреснению воды.

Осмос широко используют в лабораторной технике: при определении  молярных характеристик полимеров, концентрировании растворов, исследовании разнообразных биологических структур. Осмотические явления иногда используются в промышленности, например при получении некоторых полимерных материалов, очистке высоко-минерализованной воды методом «обратного» осмоса жидкостей.

Аномальный  осмос — движение растворителя через олупроницаемую мембрану, не соответствующее размеру или направлению осмотического давления (осмотического градиента). Аномальный осмос наблюдается в растительных и животных тканях, например, при диффузии воды через мембраны клеток растений. Эффект аномального осмоса объясняется наличием противоположного электроосмотического давления.

ЗАКОНЫ ДИФФУЗИИ ФИКА [ Fick's laws of diffusion ]     

Законы диффузии Фика - это эмпирические детерминистские модели реальных явлений, описывающие отношения между переменными величинами, определяющими диффузию. Первый закон диффузии описывает отношения между переменными неизменными во времени, второй закон диффузии - отношения между переменными, меняющимися во времени. Законы сформулированы в 1858 г. германским физиологом Адольфом Фиком (Adolf E. Fick, 1829-1901).

Допустим, что происходит диффузия определенного вещества из слоя среды с большей концентрацией  C1  данного вещества в направлении слоя среды с меньшей концентрацией  C2  данного вещества.  Диффузия осуществляется через граничный слой среды с площадью  s  и толщиной  l . Тогда, в отсутствии внешних воздействий плотность потока диффузии  *m  данного вещества (плотность потока диффузанта, плотность диффузионного потока, 1 / м²с или кг /м²с) прямо пропорциональна градиенту концентрации (уменьшению концентрации на единицу длины, 1 / м⁴ или кг / м⁴, на схеме - плоскость красного цвета,  gradC ~ d( C1 - C2 ) , площади слоя  s  и обратно пропорциональна его длине  l :