Содержание материала
Диффузия. Взаимодействие молекул
Диффузия — явление проникновения молекул одного вещества в промежутки между молекулами другого вещества.
Мы ощущаем запах духов на некотором расстоянии от флакона. Это объясняется тем, что молекулы духов, так же как и молекулы воздуха, движутся. Между молекулами существуют промежутки. Молекулы духов проникают в промежутки между молекулами воздуха, а молекулы воздуха — в промежутки между молекулами духов.
Опыты показывают, что диффузии в газах — самый быстрый процесс, в жидкостях он протекает гораздо медленнее, но может наблюдаться даже в твердых телах. Соединив гладко отполированными поверхностями два бруска из разных металлов, например из меди и алюминия, и оставив их в таком положении на длительное время (на 4—5 лет), мы обнаружим их сращивание за счет проникновения атомов меди в алюминиевый образец и, наоборот, проникновения атомов алюминия в медный.
Диффузия в газах происходит быстрее, чем в жидкостях, потому, что газы имеют меньшую плотность, чем жидкости, т.е. молекулы газов расположены на больших расстояниях друг от друга. Ещё медленнее происходит диффузия в твёрдых телах, поскольку молекулы твёрдых тел находятся ещё ближе друг к другу, чем молекулы жидкостей.
Скорость диффузии зависит не только от агрегатного состояния вещества, но и от температуры. При более высокой температуре диффузия будет происходить быстрее. Это происходит потому, что при повышении температуры быстрее движутся молекулы. Скорость движения молекул и температура тела взаимосвязаны. Чем больше средняя скорость движения молекул тела, тем выше его температура.
Проявление диффузии: окрашивание, склеивание, проникновение питательных веществ из кишечника в кровь.
Конспект урока «Диффузия. Взаимодействие молекул».
Следующая тема: «Тепловое равновесие. Температура. Шкала Цельсия».
Видео
Как протекает в твёрдых телах: примеры
В твёрдых телах взаимное проникновение частиц протекает очень медленно. Этот процесс может занять несколько лет. Его длительность зависит от состава вещества и структуры его кристаллической решётки.
Опыты, доказывающие, что диффузия в твёрдых телах существует.
- Слипание двух пластин разных металлов. Если держать эти две пластины плотно друг к другу и под прессом, в течение пяти лети между ними будет слой, имеющий ширину 1 миллиметр. В этом небольшом слое будут находиться молекулы обоих металлов. Эти две пластины будут слиты воедино.
- На тонкий свинцовый цилиндр наносится очень тонкий слой золота. После чего эта конструкция помещается в печь на 10 дней. Температура воздуха в печи — 200 градусов Цельсия. После того как этот цилиндр разрезали на тонкие диски, было очень хорошо видно, что свинец проник в золото и наоборот.
Факторы, влияющие на диффузию
На диффузию влияют температура, площадь взаимодействия, крутизна градиента концентрации и размер частиц. Каждый из этих факторов, независимо и совместно, может изменять скорость и степень распространения.
температура
В любой системе молекулы движутся с определенным количеством кинетической энергии. Обычно это не направлено каким-либо особым образом и может показаться случайным. Когда эти молекулы сталкиваются друг с другом, происходит изменение направления движения, а также изменения импульса и скорости. Например, если блок из сухого льда (двуокись углерода в твердой форме) помещен в коробку, молекулы углекислого газа в центре блока в основном сталкиваются друг с другом и задерживаются в твердой массе. Однако для молекул на периферии быстро движущиеся молекулы в воздухе также влияют на их движение, позволяя им диффундировать в воздух. Это создает градиент концентрации, при котором концентрация углекислого газа постепенно уменьшается по мере удаления от комка сухого льда.
С увеличением температуры кинетическая энергия всех частиц в системе увеличивается. Это увеличивает скорость, с которой растворенное вещество а также растворитель молекулы движутся, и увеличивает столкновения. Это означает, что сухой лед (или даже обычный лед) будет испаряться быстрее в более теплый день просто потому, что каждая молекула движется с большей энергией и с большей вероятностью быстро выйдет за пределы твердого состояния.
Область взаимодействия
Чтобы расширить приведенный выше пример, если блок сухого льда разбивается на несколько частей, площадь, которая взаимодействует с атмосферой, немедленно увеличивается. Количество молекул, которые только сталкиваются с другими частицами углекислого газа в сухом льде, уменьшается. Следовательно, скорость диффузии газа в воздух также увеличивается.
Это свойство можно наблюдать даже лучше, если газ имеет запах или цвет. Например, когда йод сублимируется над горячей плитой, начинают появляться фиолетовые пары и смешиваться с воздухом. Если сублимацию проводят в узком тигле, пары медленно диффундируют к устью контейнера, а затем быстро исчезают. Хотя они ограничены меньшей площадью поверхности внутри тигля, скорость диффузии остается низкой.
Это также видно, когда два жидких реагента смешаны друг с другом. Перемешивание увеличивает площадь взаимодействия между двумя химическими веществами и позволяет этим молекулам быстрее диффундировать друг к другу. Реакция идет к завершению с более высокой скоростью. Аналогичным образом, любое растворенное вещество, которое разбивается на мелкие кусочки и смешивается с растворителем, быстро растворяется, что является еще одним показателем того, что молекулы лучше диффундируют при увеличении площади взаимодействия.
Крутизна градиента концентрации
Поскольку диффузия обусловлена, главным образом, вероятностью того, что молекулы отойдут от области с более высоким насыщением, из этого сразу следует, что когда среда (или растворитель) имеет очень низкую концентрацию растворенного вещества, вероятность диффузии молекулы от центральной области выше. Например, в примере с диффузией газообразного йода, если тигель помещают в другой закрытый контейнер и кристаллы йода нагревают в течение продолжительного периода времени, скорость, с которой фиолетовый газ, по-видимому, «исчезает» в устье тигель уменьшится. Это очевидное замедление связано с тем, что со временем в более крупном контейнере начинает появляться достаточное количество йодного газа, и часть его будет перемещаться «назад» к тиглю. Даже при том, что это случайное ненаправленное движение с большим объемом, оно может создать сценарий, в котором нет чистого движения газа из контейнера.
Размер частицы
При любой данной температуре диффузия частицы меньшего размера будет более быстрой, чем диффузия молекулы большего размера. Это связано как с массой молекулы, так и с площадью ее поверхности. Более тяжелая молекула с большей площадью поверхности будет диффундировать медленно, в то время как более мелкие, более легкие частицы будут диффундировать быстрее. Например, в то время как газообразный кислород будет диффундировать немного быстрее, чем диоксид углерода, оба они будут двигаться быстрее, чем газообразный йод.
Диффузия в твердых телах
Для таких субстанций характерно наличие кристаллической решетки, частицы располагаются упорядоченно. Обменный материал зависит от типа связи. Не слишком активны.
Виды связей рассмотрим отдельно:
-
Ионные (соли активных (щелочных) металлов, гидроксиды). Малолетучи, охотно диффундируют из расплавов, растворов. Яркий представитель – поваренная соль (NaCl). Если разместить в воде, не подогревать, не перемешивать, то однородная масса образуется через пару недель.
-
Металлические. Состоят из ионов, атомов и не связанных электронов. Электропроводны, ковки (это касается не всех сплавов — чугун, например, трескается). Для проникновения позолоты на доли миллиметров в медь понадобятся столетия.
-
Атомные. С сильными ковалентными связями. Высокопрочны, хрупки, химически стойки. В процессах переноса участвуют слабо. Алмаз, кремний и его окислы (песок), хрусталь и подобные.
-
Молекулярные. Механически не прочны. Летучи. Это, например, кристаллы йода, твердый CO2 («сухой лед»).
Требуется энергия на разрыв соединения с соседними частицами. Диффундирующие элементы занимают «вакансии» в решетке.
В жидкостях
Скорость протекания диффузии в жидкостях в разы выше, нежели в твердых телах. Связи между частицами в жидкости гораздо слабее (обычно их энергии хватает максимум на образование капель), и взаимному проникновению частиц в молекулы двух веществ ничто не мешает.
Правда то, как быстро будет проходить диффузия, зависит от характера и консистенции жидкостей, в более густых растворах она происходит медленнее, ведь чем гуще жидкость, тем более сильные в ней связи между молекулами и тем труднее молекулам и частицам проникать друг в друга. Например, смешивание двух жидких металлов может занять несколько часов, в то время как смешивание воды и марганцовки (из примера выше) осуществляется за минуту.
Как протекает в газах
Процесс смешивания частиц в газах самый быстрый. Он может происходить как между однородными газами, так и между газами с разной концентрацией.
Яркие примеры из жизни:
- Вы чувствуете запах освежителя воздуха благодаря диффузии.
- Вы чувствуете запах приготовленной пищи. Заметьте, его вы начинаете чувствовать сразу, а запах освежителя через несколько секунд. Это объясняется тем, что при высокой температуре скорость движения молекул больше.
- Слезы, возникающие у вас при нарезании лука. Молекулы лука смешиваются с молекулами воздуха, и ваши глаза на это реагируют.
викторина
1. Какое из этих утверждений о диффузии молекул верно?A. Облегченная диффузия полностью обеспечивается гидролизом ГТФB. Никогда не нуждается в присутствии какой-либо другой молекулыC. Диффузия каждой молекулы зависит от градиента ее концентрации и не зависит от концентрации других молекул вид в средеD. Все вышеперечисленное
Ответ на вопрос № 1
С верно. На движение одной молекулы вдоль градиента концентрации не влияют градиенты концентрации любых других веществ в той же среде.
2. Если бы в устье тигля, нагревавшего йод, находилась охлаждающая жидкость, как это повлияло бы на скорость ее диффузии?A. Останется без измененийB. УвеличениеC. УменьшитьD. Это будет зависеть от характера и температуры охлаждающей жидкости
Ответ на вопрос № 2
С верно. Присутствие охлаждающей жидкости в устье тигля понизит температуру газообразного йода. Это уменьшит скорость диффузии.
3. Какое из этих утверждений не соответствует действительности?A. Большие полярные молекулы не могут диффундировать через биологическую мембрануB. Диоксид углерода будет диффундировать быстрее, чем газообразный бромC. Интегральные мембранные белки, которые облегчают диффузию, очень специфичны в отношении своего грузаD. Все вышеперечисленное
Ответ на вопрос № 3
верно. Полярные молекулы могут диффундировать через мембраны, но им необходимо присутствие трансмембранного канала или белка. Углекислый газ легче брома и поэтому быстрее диффундирует.
Примеры диффузии в окружающем мире
Известный по курсу биологии природный процесс фотосинтеза невозможен без рассматриваемого феномена. За счет энергии солнечного света вода разлагается хлорофиллами на составляющие.
Кислород отправляется в атмосферу. При помощи водорода усвоенная углекислота превращается в сахар и в таком виде питает растение или микроорганизм. Как вещества преодолевают мембраны, мы уже видели.
Поглощение живыми организмами кислорода и обмен веществ вообще поддерживаются диффузией. Без этого эффекта сама жизнь на земле была бы невозможна.