Sådan beregnes diffusionshastighed

Diffusion finder sted på grund af partikelbevægelse. Partikler i tilfældig bevægelse, som gasmolekyler, støder ind i hinanden efter Brownsk bevægelse, indtil de spredes jævnt i et givet område. Diffusion er derefter strømmen af molekyler fra et område med høj koncentration til det med lav koncentration, indtil ligevægt er nået. Kort sagt beskriver diffusion en gas-, væske- eller faststofdispergering i et bestemt rum eller gennem et andet stof. Diffusionseksempler inkluderer en parfumearoma, der spreder sig i et rum, eller en dråbe grøn madfarve, der spreder sig i en kop vand. Der findes en række måder at beregne diffusionshastigheder på.

TL; DR (for lang; læste ikke)

Husk, at udtrykket "rate" henviser til ændringen i en mængde over tid .
Grahams diffusionslov

I det tidlige 19. århundrede opdagede den skotske kemiker Thomas Graham (1805-1869) det kvantitative forhold, der nu bærer hans navn. Grahams lov hedder, at diffusionshastigheden for to gasformige stoffer er omvendt proportional med kvadratroden af deres molære masser. Dette forhold blev nået, i betragtning af at alle gasser, der findes ved den samme temperatur, udviser den samme gennemsnitlige kinetiske energi, som det forstås i den kinetiske teori om gasser. Med andre ord er Grahams lov en direkte konsekvens af, at de gasformige molekyler har den samme gennemsnitlige kinetiske energi, når de er ved den samme temperatur. For Grahams lov beskriver diffusion gasser, der blandes, og diffusionshastigheden er hastigheden for den blanding. Bemærk, at Grahams lov om diffusion også kaldes Grahams lov om effusion, fordi effusion er et specielt tilfælde af diffusion. Effusion er fænomenet, når gasformige molekyler undslipper gennem et lille hul i et vakuum, evakueret rum eller kammer. Effusionshastigheden måler den hastighed, hvormed denne gas overføres til det vakuum, det evakuerede rum eller kammer. Så en måde at beregne diffusionshastighed eller effusionshastighed i et ordproblem er at foretage beregninger baseret på Grahams lov, der udtrykker forholdet mellem molære masser af gasser og deres diffusions- eller effusionshastigheder.
Fick's Laws of Diffusion

I midten af det 19. århundrede formulerede den tyskfødte læge og fysiolog Adolf Fick (1829-1901) et sæt love, der regulerer opførslen af en gas, der diffunderer gennem en væskemembran. Ficks First Law of Diffusion (lov om diffusion) siger, at flux, eller nettobevægelsen af partikler i et specifikt område inden for et bestemt tidsrum, er direkte proportionalt med gradientens stejlehed. Ficks første lov kan skrives som:

flux \u003d -D (dC ÷ dx)

hvor (D) refererer til diffusionskoefficienten og (dC /dx) er gradienten (og er et derivat i beregningen). Så Ficks første lov siger grundlæggende, at tilfældig partikelbevægelse fra brownisk bevægelse fører til drift eller spredning af partikler fra regioner med høj koncentration til lave koncentrationer - og at drivhastighed, eller diffusionshastighed, er proportional med gradienten af tæthed, men i modsat retning af den gradient (som tegner sig for det negative tegn foran diffusionskonstanten). Mens Ficks første diffusionslov beskriver hvor meget flux der er, er det faktisk Ficks anden diffusionslov, der yderligere beskriver diffusionshastigheden, og den har form af en delvis differentiel ligning. Ficks anden lov er beskrevet med formlen:

T \u003d (1 ÷ [2D]) x ²

hvilket betyder, at tiden til diffusion øges med afstanden kvadrat, x. I hovedsagen giver Ficks første og anden diffusionslov information om, hvordan koncentrationsgradienter påvirker diffusionshastigheder. Det er interessant nok, at University of Washington udtænkte en diny som en mnemonic for at hjælpe med at huske, hvordan Ficks ligninger hjælper med at beregne diffusionshastighed: ”Fick siger, hvor hurtigt et molekyle vil diffundere. Delta P-gange A gange k over D er loven at bruge…. Trykforskel, overfladeareal og konstanten k ganges sammen. De er opdelt efter diffusionsbarriere for at bestemme den nøjagtige diffusionshastighed. ”
Andre interessante fakta om diffusionshastigheder

Diffusion kan forekomme i faste stoffer, væsker eller gasser. Naturligvis foregår diffusion hurtigst i gasser og langsomst i faste stoffer. Diffusionshastigheder kan også påvirkes af flere faktorer. Forhøjet temperatur, for eksempel, fremskynder diffusionshastighederne. Tilsvarende kan partiklen, der diffunderes, og materialet, den diffunderer i, påvirke diffusionshastigheder. Bemærk for eksempel, at polære molekyler diffunderer hurtigere i polære medier, som vand, hvorimod ikke-polære molekyler er ikke blandbare og derved har svært ved at diffundere i vand. Materialets densitet er endnu en faktor, der påvirker diffusionshastighederne. Forståeligvis diffunderer tungere gasser langt langsommere sammenlignet med deres lettere kolleger. Endvidere kan størrelsen på interaktionsområdet påvirke diffusionshastighederne, hvilket fremgår af aromaen af hjemmekogning, der spreder sig gennem et lille område hurtigere, end det ville gøre i et større område.

Også, hvis diffusion finder sted mod en koncentration gradient, skal der være en form for energi, der letter diffusionen. Overvej hvordan vand, kuldioxid og ilt let kan krydse cellemembraner ved passiv diffusion (eller osmose, i tilfælde af vand). Men hvis et stort, ikke-lipidopløseligt molekyle skal passere gennem cellemembranen, er det nødvendigt med aktiv transport, hvilket er, hvor højenergimolekylet af adenosintriphosphat (ATP) træder ind for at lette diffusionen over cellemembraner. >