Trong số vô số hiện tượng vật lý, quá trình khuếch tán là một trong những hiện tượng đơn giản và dễ hiểu nhất. Rốt cuộc, mỗi sáng, chuẩn bị cho mình trà hoặc cà phê thơm, một người có cơ hội quan sát phản ứng này trong thực tế. Hãy cùng tìm hiểu thêm về quá trình này và các điều kiện để nó xảy ra ở các trạng thái tổng hợp khác nhau.
Sự khuếch tán là gì
Từ này dùng để chỉ sự xâm nhập của các phân tử hoặc nguyên tử của một chất giữa các đơn vị cấu trúc tương tự của một chất khác. Trong trường hợp này, nồng độ của các hợp chất thâm nhập được san bằng.
Quá trình này lần đầu tiên được nhà khoa học người Đức Adolf Fick mô tả chi tiết vào năm 1855
Tên của thuật ngữ này được hình thành từ danh từ trong tiếng Latinh diffusio (tương tác, phân tán, phân phối).
Khuếch tán trong chất lỏng
Quá trình đang xét có thể xảy ra với các chất ở cả ba trạng thái tập hợp: khí, lỏng và rắn. Để biết các ví dụ thực tế về điều này, chỉ cần xemnhà bếp.
Borscht luộc trên gác bếp là một trong số đó. Dưới tác động của nhiệt độ, các phân tử glucosin betanin (một chất mà củ cải đường có màu đỏ tươi đặc trưng) phản ứng đồng đều với các phân tử nước, tạo cho nó một màu đỏ tía độc đáo. Trường hợp này là một ví dụ về sự khuếch tán trong chất lỏng.
Ngoài borscht, quá trình này cũng có thể được nhìn thấy trong một ly trà hoặc cà phê. Cả hai loại đồ uống này đều có độ đậm nhạt đồng nhất như vậy là do lá trà hoặc hạt cà phê, hòa tan trong nước, trải đều giữa các phân tử của nó, tạo màu cho nó. Hành động của tất cả các loại đồ uống ăn liền phổ biến trong những năm 90 được xây dựng trên cùng một nguyên tắc: Yupi, Mời, Zuko.
Sự kết hợp giữa các khí
Tiếp tục tìm kiếm thêm những biểu hiện của quá trình được đề cập trong nhà bếp, thật đáng để bạn ngửi và tận hưởng mùi thơm dễ chịu tỏa ra từ một bó hoa tươi trên bàn ăn. Tại sao điều này lại xảy ra?
Các nguyên tử và phân tử mang mùi đang chuyển động tích cực và do đó, được trộn với các hạt đã có trong không khí và được phân tán khá đồng đều trong thể tích của căn phòng.
Đây là biểu hiện của sự khuếch tán trong chất khí. Cần lưu ý rằng quá trình hít thở không khí cũng thuộc về quá trình đang được xem xét, cũng như mùi hấp dẫn của borscht mới nấu trong nhà bếp.
Khuếch tán trong chất rắn
Bàn bếp hoa được trải khăn trải bàn màu vàng tươi. Cô ấy đã nhận được một bóng râm tương tự nhờkhả năng khuếch tán truyền qua chất rắn.
Quá trình tạo bóng đồng đều cho tấm bạt diễn ra theo nhiều giai đoạn như sau.
- Các hạt sắc tố vàng khuếch tán trong bình mực về phía vật liệu dạng sợi.
- Sau đó chúng được hấp thụ bởi bề mặt bên ngoài của vải nhuộm.
- Bước tiếp theo là khuếch tán thuốc nhuộm một lần nữa, nhưng lần này là vào các sợi của mạng lưới.
- Cuối cùng, vải đã cố định các hạt sắc tố, do đó trở nên có màu.
Sự khuếch tán của các chất khí trong kim loại
Thông thường, nói về quá trình này, hãy xem xét sự tương tác của các chất trong cùng một trạng thái tập hợp. Ví dụ, sự khuếch tán trong chất rắn, chất rắn. Để chứng minh hiện tượng này, người ta tiến hành thí nghiệm với hai tấm kim loại ép vào nhau (vàng và chì). Quá trình thâm nhập vào các phân tử của chúng mất khá nhiều thời gian (một milimét trong năm năm). Quy trình này được sử dụng để làm đồ trang sức khác thường.
Tuy nhiên, các hợp chất ở các trạng thái tập hợp khác nhau cũng có khả năng khuếch tán. Ví dụ, có sự khuếch tán của các chất khí trong chất rắn.
Trong các thí nghiệm, người ta đã chứng minh rằng quá trình như vậy diễn ra ở trạng thái nguyên tử. Theo quy luật, để kích hoạt nó, bạn cần nhiệt độ và áp suất tăng lên đáng kể.
Một ví dụ về sự khuếch tán khí như vậy trong chất rắn là ăn mòn hydro. Nó thể hiện trong những tình huống màNguyên tử hydro (Н2) đã phát sinh trong một số phản ứng hóa học dưới tác động của nhiệt độ cao (từ 200 đến 650 độ C) xâm nhập vào giữa các phần tử cấu trúc của kim loại.
Ngoài hydro, sự khuếch tán oxy và các khí khác cũng có thể xảy ra trong chất rắn. Quá trình này, không thể nhận thấy bằng mắt, có rất nhiều tác hại, vì các cấu trúc kim loại có thể sụp đổ vì nó.
Sự khuếch tán của chất lỏng trong kim loại
Tuy nhiên, không chỉ các phân tử khí có thể xâm nhập vào chất rắn mà còn cả chất lỏng. Như trong trường hợp của hydro, thường quá trình này dẫn đến ăn mòn (khi nói đến kim loại).
Một ví dụ cổ điển về hiện tượng khuếch tán chất lỏng trong chất rắn là sự ăn mòn kim loại dưới tác dụng của nước (H2O) hoặc các dung dịch điện phân. Đối với hầu hết, quá trình này quen thuộc hơn dưới cái tên rỉ sét. Không giống như ăn mòn hydro, trong thực tế, nó thường xuyên xảy ra hơn nhiều.
Điều kiện để tăng tốc độ khuếch tán. Hệ số khuếch tán
Đã xử lý các chất mà quá trình đang xem xét có thể xảy ra, cần tìm hiểu về các điều kiện để xảy ra quá trình đó.
Trước hết, tốc độ khuếch tán phụ thuộc vào trạng thái tập hợp của các chất tương tác. Khối lượng riêng của vật liệu mà phản ứng xảy ra càng lớn thì tốc độ của nó càng chậm.
Về vấn đề này, sự khuếch tán trong chất lỏng và khí sẽ luôn hoạt động mạnh hơn trong chất rắn.
Ví dụ, nếu các tinh thểthuốc tím KMnO4 ( thuốc tím ) ném vào nước, chúng sẽ cho màu quả mâm xôi rất đẹp trong vài phút Màu sắc. Tuy nhiên, nếu bạn rắc các tinh thể KMnO4 lên một cục đá và cho tất cả vào ngăn đá, sau vài giờ, thuốc tím sẽ không thể tô màu hoàn toàn màu đông lạnh H2O.
Từ ví dụ trước, có thể rút ra một kết luận nữa về các điều kiện khuếch tán. Ngoài trạng thái kết tụ, nhiệt độ cũng ảnh hưởng đến tốc độ thâm nhập của các hạt.
Để xem xét sự phụ thuộc của quá trình đang xem xét vào nó, cần phải học về một khái niệm như hệ số khuếch tán. Đây là tên của đặc tính định lượng của tốc độ của nó.
Trong hầu hết các công thức, nó được ký hiệu bằng chữ cái Latinh viết hoa D và trong hệ SI, nó được đo bằng mét vuông trên giây (m² / s), đôi khi tính bằng cm trên giây (cm2/ m).
Hệ số khuếch tán bằng lượng vật chất phân tán qua một đơn vị bề mặt trong một đơn vị thời gian, với điều kiện chênh lệch mật độ trên cả hai bề mặt (nằm cách nhau một đơn vị chiều dài) bằng một. Tiêu chí xác định D là đặc tính của chất mà quá trình tán xạ hạt tự diễn ra và loại của chúng.
Sự phụ thuộc của hệ số vào nhiệt độ có thể được mô tả bằng phương trình Arrhenius: D=D0exp(- E / TR).
Trong công thức được xem xét, E là năng lượng tối thiểu cần thiết để kích hoạt quá trình; T - nhiệt độ (đo bằng Kelvin, không phải độ C); R-đặc tính hằng số khí của khí lý tưởng.
Ngoài tất cả những điều trên, tốc độ khuếch tán trong chất rắn, chất lỏng trong chất khí còn bị ảnh hưởng bởi áp suất và bức xạ (cảm ứng hoặc tần số cao). Ngoài ra, phụ thuộc nhiều vào sự có mặt của chất xúc tác, thường nó hoạt động như một chất kích hoạt để bắt đầu phân tán tích cực của các hạt.
Phương trình khuếch tán
Hiện tượng này là một dạng cụ thể của phương trình đạo hàm riêng.
Mục tiêu của nó là tìm ra sự phụ thuộc của nồng độ của một chất vào kích thước và tọa độ của không gian (trong đó nó khuếch tán), cũng như thời gian. Trong trường hợp này, hệ số đã cho đặc trưng cho tính thẩm thấu của môi trường đối với phản ứng.
Thông thường nhất, phương trình khuếch tán được viết như sau: ∂φ (r, t) / ∂t=∇ x [D (φ, r) ∇ φ (r, t)].
Trong đó φ (t và r) là khối lượng riêng của chất tán xạ tại điểm r tại thời điểm t. D (φ, r) - hệ số khuếch tán tổng quát tại mật độ φ tại điểm r.
∇ - toán tử vi phân vectơ có thành phần là đạo hàm riêng trong tọa độ.
Khi hệ số khuếch tán phụ thuộc vào mật độ, phương trình là phi tuyến tính. Khi không - tuyến tính.
Sau khi xem xét định nghĩa của sự khuếch tán và các tính năng của quá trình này trong các môi trường khác nhau, có thể lưu ý rằng nó có cả mặt tích cực và tiêu cực.
