Inhoud
- TL; DR (te lang; niet gelezen)
- Graham's diffusiewet
- Fick's Diffusiewetten
- Andere interessante feiten over diffusiesnelheden
Diffusie vindt plaats vanwege deeltjesbeweging. Deeltjes in willekeurige beweging, zoals gasmoleculen, botsen tegen elkaar op en volgen de Brownse beweging totdat ze zich gelijkmatig verspreiden in een bepaald gebied. Diffusie is dan de stroom van moleculen van een gebied met een hoge concentratie naar dat met een lage concentratie, totdat het evenwicht is bereikt. Kort gezegd, diffusie beschrijft een gas, vloeistof of vaste stof die zich door een bepaalde ruimte of door een tweede stof verspreidt. Diffusievoorbeelden omvatten een parfumaroma dat zich door een kamer verspreidt, of een druppel groene kleurstof die zich verspreidt door een kopje water. Er zijn een aantal manieren om diffusiesnelheden te berekenen.
TL; DR (te lang; niet gelezen)
Vergeet niet dat de term "koers" verwijst naar de verandering in een hoeveelheid in de tijd.
Graham's diffusiewet
In de vroege 19e eeuw ontdekte de Schotse chemicus Thomas Graham (1805-1869) de kwantitatieve relatie die nu zijn naam draagt. De wet van Graham stelt dat de diffusiesnelheid van twee gasvormige stoffen omgekeerd evenredig is met de vierkantswortel van hun molaire massa. Deze relatie is tot stand gekomen, gezien het feit dat alle gassen die bij dezelfde temperatuur worden gevonden dezelfde gemiddelde kinetische energie vertonen, zoals begrepen in de kinetische theorie van gassen. Met andere woorden, de wet van Graham is een direct gevolg van het feit dat de gasvormige moleculen dezelfde gemiddelde kinetische energie hebben wanneer ze dezelfde temperatuur hebben. Voor de wet van Graham beschrijft diffusie het mengen van gassen en de diffusiesnelheid is de snelheid van dat mengen. Merk op dat Graham's Diffusiewet ook Graham's Effusiewet wordt genoemd, omdat effusie een speciaal geval van diffusie is. Effusie is het fenomeen wanneer gasvormige moleculen via een klein gaatje in een vacuüm, geëvacueerde ruimte of kamer ontsnappen. De effusiesnelheid meet de snelheid waarmee dat gas wordt overgebracht naar die vacuüm, geëvacueerde ruimte of kamer. Dus een manier om de diffusiesnelheid of effusiesnelheid in een woordprobleem te berekenen, is om berekeningen te maken op basis van de wet van Graham, die het verband uitdrukt tussen molaire massa's van gassen en hun diffusie- of effusiesnelheden.
Fick's Diffusiewetten
In het midden van de 19e eeuw formuleerde de in Duitsland geboren arts en fysioloog Adolf Fick (1829-1901) een reeks wetten die het gedrag regelen van een gas dat door een vloeistofmembraan verspreidt. De eerste diffusiewet van Fick stelt dat flux, of de netto beweging van deeltjes in een specifiek gebied binnen een specifieke periode, recht evenredig is met de steilheid van de gradiënt. Fick's First Law kan worden geschreven als:
flux = -D (dC ÷ dx)
waarbij (D) verwijst naar de diffusiecoëfficiënt en (dC / dx) de gradiënt is (en een afgeleide in de calculus is). De eerste wet van Fick stelt dus fundamenteel dat willekeurige deeltjesbeweging van Brownse beweging leidt tot de drift of verspreiding van deeltjes uit gebieden met een hoge concentratie naar lage concentraties - en dat driftsnelheid, of diffusiesnelheid, evenredig is aan de gradiënt van dichtheid, maar in de tegengestelde richting van die gradiënt (die het negatieve teken voor de diffusieconstante verklaart). Hoewel de eerste diffusiewet van Fick beschrijft hoeveel flux er is, is het in feite de tweede diffusiewet van Fick die de diffusiesnelheid verder beschrijft, en deze neemt de vorm aan van een gedeeltelijke differentiaalvergelijking. De tweede wet van Fick wordt beschreven door de formule:
T = (1 ÷ )X2
wat betekent dat de tijd om te diffunderen toeneemt met het kwadraat van de afstand, x. In wezen bieden de eerste en tweede diffusiewetten van Fick informatie over hoe concentratiegradiënten diffusiesnelheden beïnvloeden. Interessant genoeg bedacht de Universiteit van Washington een ditty als een geheugensteuntje om te helpen herinneren hoe de vergelijkingen van Fick helpen bij het berekenen van de diffusiesnelheid: "Fick zegt hoe snel een molecuul zal diffunderen. Delta P keer A keer k boven D is de wet om te gebruiken…. Drukverschil, oppervlakte en de constante k worden vermenigvuldigd. Ze worden gedeeld door diffusiebarrière om de exacte diffusiesnelheid te bepalen. "
Andere interessante feiten over diffusiesnelheden
Diffusie kan optreden in vaste stoffen, vloeistoffen of gassen. Uiteraard vindt diffusie het snelst plaats in gassen en het langzaamst in vaste stoffen. Diffusiesnelheden kunnen eveneens door verschillende factoren worden beïnvloed. Verhoogde temperatuur versnelt bijvoorbeeld de diffusiesnelheid. Evenzo kan het deeltje dat wordt gediffundeerd en het materiaal waarin het diffundeert diffusiesnelheden beïnvloeden. Merk bijvoorbeeld op dat polaire moleculen sneller diffunderen in polaire media, zoals water, terwijl niet-polaire moleculen niet mengbaar zijn en daardoor moeilijk in water diffunderen. De dichtheid van het materiaal is nog een andere factor die de diffusiesnelheid beïnvloedt. Het is begrijpelijk dat zwaardere gassen veel langzamer diffunderen in vergelijking met hun lichtere tegenhangers. Bovendien kan de grootte van het interactiegebied de diffusiesnelheid beïnvloeden, wat blijkt uit het aroma van thuiskoken dat zich sneller door een klein gebied verspreidt dan in een groter gebied.
Ook als diffusie plaatsvindt tegen een concentratiegradiënt, moet er een vorm van energie zijn die de diffusie vergemakkelijkt. Overweeg hoe water, kooldioxide en zuurstof gemakkelijk celmembranen kunnen passeren door passieve diffusie (of osmose, in het geval van water). Maar als een groot, niet-lipide oplosbaar molecuul door het celmembraan moet gaan, dan is actief transport vereist, dat is waar het hoogenergiemolecuul van adenosinetrifosfaat (ATP) binnenkomt om de diffusie door cellulaire membranen te vergemakkelijken.