Difūzija — kas tā ir: molekulu pārvietošanās un koncentrācijas izlīdzināšanās

Difūzija ir process, kurā daļiņas vai molekulas pārvietojas no apgabala ar augstāku koncentrāciju uz apgabalu ar zemāku koncentrāciju, līdz koncentrācijas atšķirība izlīdzinās un tiek sasniegta līdzsvara stāvoklis. Difūzija izriet no daļiņu nejaušās (Brūna) kustības un notiek plūsmu vai ārējas spēka neesamības gadījumā — tas ir pasīvs process, kas nenāk par labu enerģijas pievadam, ja pārvietošana notiek pa koncentrācijas gradientu.

Kā darbojas difūzija

Molekulas pastāvīgi kustas visos virzienos; ja vienā vietā ir vairāk molekulu nekā citā, būs lielāka varbūtība, ka vairāk molekulu izies no blīvākā reģiona nekā iegūsies no retākā. Šī neto kustība samazina koncentrācijas atšķirību. Pat pēc līdzsvara sasniegšanas molekulas turpina kustēties, taču neto plūsma abos virzienos ir vienāda, tāpēc koncentrācija vairs nemainās.

Difūzijas kvantitatīvs apraksts bieži lieto Fika likumus. Pirmais Fika likums lineāri saista difūzijas plūsmu J ar koncentrācijas gradientu dC/dx:

J = -D · (dC/dx)

kur D ir difūzijas koeficients (mērīts m²/s). Mīnuss norāda, ka virziens ir pretējs koncentrācijas gradientam. Otrais Fika likums apraksta, kā koncentrācija mainās laikā atkarībā no D.

Piemēri

• Cukura kubiņu atšķaidīšanās glāzē ar ūdeni — cukura molekulas izplatās no vietas, kur tās sākotnēji ir koncentrētākas.
• Amonjaka smaka, kas izplatās no klases priekšpuses uz telpas aizmuguri.
• Kad vāciņš tiek noņemts, no pudelītes pacelies smaržas tvaiks izkliedējas apkārtējā gaisā.
• Pārtikas krāsviela, nokritusi uz karstā ūdens glāzes, lēnām izkliedējas un krāso visu šķidrumu.
• Ēdiena smarža, kas izplatās visā mājā.

Kur difūzija notiek

Visbiežāk difūziju novēro gāzēs un šķidrumos, jo molekulas ir brīvāk kustīgas. Tomēr difūzija notiek arī cietvielās — tur tā parasti ir krietni lēnāka un bieži norisinās tikai pa atomu vai defektu ceļiem, īpaši pie paaugstinātas temperatūras (piem., metālu vaļīga difūzija, dopantu izkliedēšanās mikroelektronikā).

Bioloģiskos procesos difūzija ir ļoti svarīga: piemēram, plaušās ir vairāk skābekļa nekā asinīs, tāpēc skābekļa molekulas difundē uz asinīm, kamēr asinīs ir vairāk oglekļa dioksīda nekā plaušās, tāpēc oglekļa dioksīds difundē pretējā virzienā. Šī apmaiņa notiek arī šūnu bioloģijā, kur daudzas vielas nokļūst šūnās caur šūnas membrānu (reizēm vienkāršā difūzijā, reizēm ar palīgproteīniem — tā sauktā pasīvā vai atvieglotā difūzija). Lielas molekulas, kuras nevar brīvi pāriet membrānām, bieži tiek transportētas ar enerģijas patēriņu, skatīt aktīvo transportu.

Difūzijas ātrumu ietekmējošie faktori

Difūzijas ātrumu nosaka vairāki faktori:

• Koncentrācijas gradients — lielāks gradients (starpība starp augstāku un zemāku koncentrāciju) rada lielāku neto plūsmu.
• Temperatūra — augstāka temperatūra palielina daļiņu kinētisko enerģiju, tādējādi palielinās D un difūzija notiek ātrāk (bieži aprakstīta ar Arrhenija veida atkarību).
• Molekulas izmērs un masa — lielākas vai smagākas molekulas kustas lēnāk; mazas molekulas difundē ātrāk.
• Mediija viskozitāte un struktūra — biezāki šķidrumi vai porainu materiālu šaura poru tīklojums palēnina difūziju.
• Virsmas laukums — lielāks kontakta laukums starp reģioniem paātrina vielu apmaiņu (piem., plaušu alveolu liels virsmas laukums).
• Attālums — jo garāks ceļš, jo ilgāk aizņem difūzija; difūzijas laiks aptuveni proporcionāls attāluma kvadrātam.
• Membrānu caurlaidība un biezums — bioloģiskajās membrānās kanāli, transportieri un lipīdu slāņa biezums nosaka, cik viegli vielas pārvietojas.

Virsmas laukums, tilpums un dzīvie organismi

Mazajos vienšūnu organismos difūzija pašu spēkiem var pietiekami ātri aprēķināt vielu apmaiņu, lai uzturētu dzīvību — to atvieglo lielā virsmas laukuma un tilpuma attiecība. Taču daudzšūnu organismi ir lielāki un prasa ātrāku transportu uz lielākiem attālumiem; tāpēc tiem attīstījušās specializētas struktūras un sistēmas, piemēram, cilvēka elpošanas sistēma (plaušas) un asinsrites sistēma, kā arī augu lapas, kas palielina virsmas laukumu gāzu un šķidrumu apmaiņai.

Difūzijas loma un pielietojumi

Difūzija ir fundamentāla daudzos dabas un tehnoloģijas procesos: gāzu apmaiņa organismā, izkliedēšanās vannā pievienotam šķīdumam, smaržu un piesārņotāju pārvietošanos atmosfērā, daļiņu izkliedēšanās kolloidālos šķīdumos, zāļu izdalīšanās no līdzekļiem un to iekļūšana audos, kā arī materiālu ražošanā (piem., termiskā apstrāde, kur difūzija ietekmē sastāva izmaiņas cietvielās).

Kādēļ jārūpējas par terminu precizitāti

Svarīgi atcerēties, ka difūzija nenozīmē tikai “izkliedēšanos gaisā vai ūdenī” — tā ir pamatprincips, kas darbojas visos materiālos, tikai dažādos mērogos un ar atšķirīgiem laika skalām. Dažos gadījumos vielu pārvietošanai organismā nepieciešama papildu palīdzība (kanāli, transportieri, cirkulējoši šķidrumi), jo vienkārša difūzija būtu pārāk lēna.

Saīsināts kopsavilkums: difūzija — pasīvs, nejaušas daļiņu kustības dēļ notiekošs vielu izlīdzināšanās process, kuru kvantitatīvi raksturo difūzijas koeficients un Fika likumi; ietekmē koncentrācijas gradients, temperatūra, molekulas īpašības, mediijs, attālums un virsmas laukums.

Jautājumi un atbildes

J: Kas ir difūzija?

Q: Kādos materiālos parasti notiek difūzija?

J: Kā mēs varam novērot difūziju?

J: Ko apraksta difūzija?

J: Vai difūzijas laikā daļiņas pārvietojas kādā konkrētā virzienā?

Vai daļiņu kustība apstājas pēc līdzsvara sasniegšanas?

J: Vai šajā procesā ir kādi izņēmumi?

Meklēt pēc burta