Pada paragraf sebelumnya, fitur karakteristik gerakan termal molekul, kesetimbangan termal dan proses yang terjadi ketika kesetimbangan termal terganggu (radiasi, konduktivitas termal, dan konveksi) dipertimbangkan. Namun, semua ini masih belum memberikan gambaran lengkap tentang gerakan termal molekuler. Kita harus beralih ke fenomena difusi - ke fenomena yang mengharuskan kita untuk beralih dari konsep kesetimbangan termal ke konsep kesetimbangan termodinamika.

Difusi adalah proses penetrasi timbal balik bertahap dari dua zat yang berbatasan satu sama lain karena pergerakan molekul yang kacau. Salah satu percobaan pertama tentang studi difusi dilakukan oleh fisikawan Jerman Loschmidt. Dia mengambil dua tabung kaca, ditutup di salah satu ujungnya, panjangnya sekitar setengah meter dan diameter 2,5 cm; dia mengisi satu tabung dengan karbon dioksida, dan yang lainnya dengan hidrogen, dan menempatkannya dalam posisi vertikal sehingga ujung tabung yang terbuka bersentuhan; Dalam hal ini, tabung dengan karbon dioksida berada di bagian bawah (yang terakhir diperlukan agar pencampuran kedua gas hanya terjadi karena pergerakan molekul, dan bukan karena perbedaan gravitasi dari gas-gas ini). Isi tabung diperiksa setelah setengah jam; ternyata 37% karbon dioksida menembus ke dalam tabung atas dari yang lebih rendah.

Jika molekul-molekul gas tidak bertabrakan sama sekali, maka, karena kecepatannya yang tinggi, mereka sudah menempuh jarak yang cukup jauh dalam garis lurus dalam sepersekian detik. Oleh karena itu, proses pencampuran dua gas yang bersentuhan satu sama lain akan berlangsung sangat cepat. Eksperimen Loschmidt menunjukkan bahwa pada kenyataannya difusi gas tidak terjadi dengan sangat cepat. Ini sudah bisa dilihat dari fenomena sehari-hari: misalnya jika di salah satu sudut ruangan

sebotol parfum dibuka, dan jika udara di dalam ruangan dalam keadaan istirahat makroskopis, maka akan memakan waktu lama sebelum kita merasakan munculnya bau parfum di sudut seberang ruangan.

Kelambatan komparatif dari proses difusi adalah hasil dari tumbukan molekul, sebagai akibatnya molekul dapat terlempar kembali ke arah asalnya. Kita tahu bahwa sebagai hasil dari tumbukan, molekul menggambarkan lintasan zigzag yang sangat rumit; selama 1 detik. itu akan mengikuti lintasan ini selama beberapa ratus meter, namun mungkin sangat dekat dengan posisi awal. Oleh karena itu, proses difusi gas berlangsung semakin lambat, semakin besar jumlah tumbukan yang dialami molekul per detik, atau dengan kata lain semakin kecil jalur bebas rata-rata molekul.

Dua gas yang berdekatan selalu berdifusi satu sama lain (kecuali jika mereka langsung bergabung secara kimia). Ini tidak dapat dikatakan tanpa beberapa keberatan tentang cairan. Dua cairan berdifusi satu sama lain tanpa batas hanya jika mereka dapat bercampur satu sama lain. Oleh karena itu, adalah mungkin, misalnya, untuk mengamati difusi timbal balik air dan alkohol, air dan eter, minyak tanah dan minyak sayur. Tetapi ada cairan yang tidak sepenuhnya bercampur satu sama lain. Ketika cairan tersebut bergabung, difusi pertama kali diamati, tetapi ketika sejumlah tertentu cairan pertama larut dalam cairan kedua dan sejumlah tertentu cairan kedua larut dalam cairan pertama, maka difusi berhenti dan tidak peduli berapa lama larutan ini bersentuhan, komposisi kimianya tidak lagi berubah (kesetimbangan termodinamika diatur dalam , 98). Beberapa cairan sangat sedikit larut satu sama lain sehingga difusi satu cairan ke cairan lain praktis tidak teramati (misalnya, air dan merkuri).

Difusi cairan diamati terutama dengan mudah jika salah satu cairan tidak berwarna dan yang lainnya berwarna. Anda dapat menggunakan, misalnya, air dan larutan tembaga sulfat dalam air. Silinder kaca diisi setengah dengan air, dan kemudian, menggunakan corong dengan tabung panjang, larutan tembaga sulfat yang lebih berat dituangkan ke bagian bawah silinder. Batas antara dua cairan, yang tajam pada awalnya, akan berangsur-angsur menjadi kabur, tetapi akan memakan waktu beberapa bulan agar kedua cairan tersebut tercampur sempurna. Hal ini menunjukkan bahwa jumlah tumbukan yang dialami oleh molekul dalam medium cair berkali-kali lebih besar daripada dalam kasus medium gas. Alasan untuk ini, tentu saja, adalah bahwa satu unit volume cairan mengandung jumlah molekul yang jauh lebih banyak daripada satu unit volume gas.

Hukum difusi dalam medium cair (juga berlaku untuk medium gas) ditemukan oleh fisikawan Jerman Fick. hukum ini

dinyatakan dengan rumus

di mana jumlah zat yang menyebar (misalnya, tembaga sulfat) melewati waktu melalui area yang terletak tegak lurus dengan arah pergerakan zat; c, dan konsentrasi zat yang berdifusi dalam dua lapisan yang terpisah satu sama lain pada suatu jarak akhirnya, koefisien difusi. Koefisien ini tergantung pada sifat medium, pada sifat zat yang menyebar dan pada kondisi di mana medium dan zat yang menyebar berada (untuk cairan - pada suhu, untuk gas - pada suhu dan densitas).

Diasumsikan bahwa konsentrasi dalam kolom cair atau gas berubah secara seragam sepanjang kolom, yaitu, dan kolom dalam keadaan tunak, yaitu, di setiap bagian, konsentrasinya tidak berubah dari waktu ke waktu.

Secara lebih umum, hukum Fick dapat dinyatakan dengan rumus berikut:

itu. jumlah zat yang berdifusi selama periode waktu tertentu melalui daerah normal garis I di mana difusi terjadi, sebanding dengan waktu daerah dan gradien konsentrasi

Dari rumus di atas, mudah untuk melihat bahwa koefisien difusi secara numerik sama dengan jumlah zat difusi yang menembus per satuan waktu melalui permukaan satuan, asalkan perbedaan konsentrasi pada dua permukaan yang berjarak satu sama lain dengan satuan panjang adalah sama dengan satu.

Sangat mudah untuk melihat bahwa dimensi koefisien difusi. Dalam sistem unit absolut, koefisien difusi diukur dalam Untuk gas yang berbeda dalam kondisi normal, ia memiliki nilai dari sekitar 0,1 hingga untuk cairan (yaitu, kali lebih kecil daripada untuk gas).

Membandingkan rumus yang menyatakan hukum Fick dengan rumus yang menyatakan hukum Fourier untuk konduksi panas dan hukum Ohm untuk arus listrik, mudah untuk melihat bahwa ketiga hukum tersebut secara formal serupa. Dalam kasus difusi, perbedaan konsentrasi memainkan peran yang sama dengan perbedaan suhu dalam fenomena konduksi panas dan perbedaan potensial dalam fenomena arus listrik.

Verifikasi eksperimental yang ketat terhadap hukum Fick dilakukan oleh N. A. Umov pada tahun 1888-1891. Umov menunjukkan bahwa hukum Fick hanya akurat untuk kasus isotermitas lengkap dari larutan dengan konsentrasi sedang dan rendah.

Dalam zat homogen apa pun, gas atau cair, molekul dari satu bagian zat terus-menerus berdifusi ke bagian lain zat; inilah yang disebut difusi-diri. Baru-baru ini self-diffusion telah diselidiki secara eksperimental; untuk tujuan ini, sejumlah kecil molekul radioaktif dari zat yang sama dimasukkan ke dalam area zat tertentu dan penyebaran sifat radioaktif ke seluruh massa zat dipantau.

Koefisien difusi diri dari gas, seperti yang secara teoritis ditetapkan oleh Maxwell, sama dengan produk sepertiga dari kecepatan rata-rata molekul dan jalur bebas rata-ratanya:

Rumus ini dapat diturunkan dengan alasan sederhana yang sama yang mengikuti (dalam 93 dan 94) untuk memperoleh rumus serupa untuk konduktivitas termal dan viskositas gas. Tetapi biasanya dalam penerapan fisika kita tidak harus berurusan dengan difusi sendiri, tetapi dengan difusi timbal balik zat. Dalam hal ini, perhitungan teoritis lebih rumit. Namun, pada akhirnya ternyata koefisien difusi timbal balik gas dapat dihitung “menurut Rule of Mixing” dari koefisien self-diffusion kedua gas, yaitu: jika koefisien self-diffusion gas pertama, koefisien difusi sendiri dari gas kedua, dan dan - jumlah molekul masing-masing gas ini per satuan volume campuran gas di tempat yang kita minati dalam proses difusi timbal balik, maka

Persamaan ini hanya berlaku ketika gas berdifusi satu sama lain, berada di bawah tekanan yang sama, dalam hal ini aliran difusi adalah stasioner dan konsentrasi total kedua gas di bagian yang berbeda dari campuran adalah sama dan tidak berubah dalam waktu, yaitu. kondisi yang ditunjukkan, koefisien difusi gas pertama di kedua sama dengan koefisien difusi gas kedua di pertama:

Koefisien self-diffusion dan interdiffusion bergantung pada densitas gas pada tingkat yang sama dengan jalur bebas; jalur bebas berbanding terbalik dengan densitas gas (§ 89), dan oleh karena itu koefisien difusi berbanding terbalik dengan densitas gas. Jika sebuah

Koefisien difusi pada tekanan dan temperatur mutlak maka pada tekanan dan temperatur koefisien difusi gas menjadi :

Adapun ketergantungan koefisien difusi pada persentase komposisi campuran gas (pada rasio, maka pengalaman, sesuai dengan teori yang disempurnakan, menunjukkan bahwa koefisien difusi berubah sedikit dengan perubahan persentase komposisi campuran.

Koefisien difusi sendiri dan interdifusi beberapa gas pada suhu dan densitas normal (di diberikan dalam tabel di bawah ini.

Koefisien difusi gas sendiri

(lihat pemindaian)

Koefisien interdifusi gas

(lihat pemindaian)

Untuk cairan, koefisien difusi memiliki nilai, seperti disebutkan di atas, ratusan ribu kali lebih kecil daripada gas. Misalnya, koefisien difusi garam meja dalam air pada 10 ° C adalah:

Koefisien difusi gula dalam air hampir tiga kali lebih kecil dari koefisien difusi garam meja yang ditunjukkan. Koefisien difusi hidrogen dalam air memiliki nilai tertinggi - sekitar

Membandingkan difusi dalam cairan dan gas, perlu dicatat bahwa gradien konsentrasi yang sangat besar sering diwujudkan dalam larutan cair. Oleh karena itu, intensitas aliran difusi dalam cairan seringkali ternyata sama sekali tidak sekecil yang diharapkan, dilihat dari nilai koefisien difusi yang kecil.

Fenomena difusi memainkan peran penting dalam alam dan teknologi. Akar tanaman menangkap zat yang diperlukan untuk tanaman dari air tanah karena aliran difusi ke akar. Intensitas aliran difusi ini dipertahankan oleh fakta bahwa di dalam akar zat-zat yang diperlukan untuk tanaman dengan cepat "diasimilasi", yaitu, diubah secara kimiawi, sehingga konsentrasi zat-zat ini di permukaan akar terus-menerus berkurang, yang menyebabkan difusi zat-zat yang diperlukan dari tanah di sekitarnya ke akar. Adapun zat-zat yang tidak berguna dan berbahaya bagi tanaman, mereka tidak diproses oleh tanaman menjadi zat lain, dan oleh karena itu konsentrasinya di dalam dan di dekat permukaan akar dengan cepat dibandingkan dengan konsentrasi zat-zat ini di tanah sekitarnya; ini menghentikan arus masuk yang menyebar. Jadi, difusi membantu tanaman untuk “memilih” dan mengekstrak dari tanah zat-zat yang dibutuhkan tanaman untuk membangun sel-selnya.

Demikian pula, difusi digunakan oleh jaringan sistem pencernaan hewan dan manusia untuk "memilih" dan mengekstrak zat dari makanan yang dibutuhkan tubuh. Makanan berubah menjadi keadaan larut dalam lambung dan usus, dan zat-zat yang dibutuhkan oleh tubuh berdifusi melalui dinding saluran pencernaan.

Dalam teknologi, difusi terus-menerus digunakan untuk mengekstrak (mengekstrak) berbagai zat, seperti gula dari bit mentah, tanin, pewarna, dan berbagai zat dalam industri kimia ( sendawa Chili, soda api, dll).

A. Einstein (tahun 1905) mengembangkan teori difusi cairan, menggunakan persamaannya untuk gerak Brown dan menerapkan hukum Stokes (§ 53) pada gerakan molekul zat terlarut. Hal ini menyebabkan Einstein untuk rumus

di mana adalah koefisien difusi zat terlarut, adalah viskositas larutan, adalah konstanta Boltzmann, adalah suhu absolut, dan beberapa jari-jari efektif molekul zat yang berdifusi.

Rumus Einstein secara memuaskan menentukan nilai larutan zat tertentu, yang molekulnya lebih besar dibandingkan dengan molekul pelarut.

Rumus lain untuk koefisien difusi cairan akan dijelaskan pada 117.

Fenomena difusi juga diamati pada padatan. Misalnya, ketika besi dipanaskan dengan arang, arang berdifusi ke dalam besi. Fenomena difusi karbon menjadi besi digunakan dalam karburasi

(dengan karburisasi permukaan produk besi) untuk mendapatkan produk setelah pengerasan dengan lapisan luar yang keras, tetapi inti kental (karburasi dilakukan dengan memanaskan produk besi atau baja dalam jelaga, arang atau kokas, atau dengan menempatkan produk pada suhu 600-1000 ° dalam gas karbon monoksida).

Koefisien difusi dalam logam padat adalah 1.000.000 kali lebih kecil daripada dalam cairan; oleh karena itu, difusi dalam padatan disebut proses "sekuler" (namun, difusi dalam logam padat, yang terdiri dari butiran individu dengan komposisi kimia yang berbeda, secara signifikan mempengaruhi logam. properti).

Persamaan Fick pertama memungkinkan Anda untuk menentukan aliran total j atom melalui permukaan satuan per satuan waktu antara dua bidang kristal yang berdekatan dari kisi yang terletak pada jarak Δ (gbr.8.1).

Gbr.8.1. Fluks total j atom melalui permukaan satuan

per satuan waktu antara dua bidang yang berdekatan 1 dan 2 dari kristal kisi,

terletak pada jarak

Jumlah lompatan atom dalam dua arah yang berlawanan sama-sama mungkin, kita substitusikan ke dalam persamaan aliran atom yang datang:

,

di mana konsentrasi atom di bidang 1 dan 2 dari kisi kristal, masing-masing, pada / m 3, adalah waktu rata-rata antara lompatan atom C.

Maka total aliran atom:

(8.1)

Menurut teorema nilai rata-rata Lagrange

(8.2)

Substitusi persamaan (6.2) ke (6.1), kita peroleh:

(8.3)

di mana

Faktor proporsionalitas D disebut koefisien difusi.

Tanda (-) dalam persamaan berarti bahwa dalam kasus yang dipertimbangkan aliran total j dan gradien konsentrasi zat diarahkan secara berlawanan, yaitu. difusi berjalan ke arah konsentrasi yang lebih rendah.

Terkadang konsep frekuensi lompatan atom diperkenalkan:

Karena selama ini jumlah lompatan , maka untuk dua arah sumbu x

Membiarkan menjadi frekuensi lompatan atom ke salah satu node terdekat dari kisi kristal jenis ini. Maka frekuensi total lompatan atom ,

di mana Ke adalah bilangan koordinasi atau jumlah atom terdekat yang berjarak sama, dan koefisien difusi

Di dekat titik leleh, atom melakukan lompatan difus rata-rata 10 juta kali per detik ( = 10 7 s -1).

Menurut A. Einstein, jalur difusi atom

,

dan jarak total yang ditempuhnya dalam waktu

Mengambil untuk dan dekat t° pl. Δ 0,3nm, G\u003d 10 7 s -1 kita mendapatkan bahwa selama 100 jam (360000 s) difusi , dan

Dalam hal ini, atom dipindahkan dari posisi awalnya sebesar 0,57 nm.

Koefisien difusi tergantung pada suhu:

di mana adalah faktor pra-eksponensial, yang berubah dari 10 -6 menjadi 10 -4 m 2 s selama difusi sendiri dalam logam.

Q adalah energi aktivasi difusi.

di mana adalah konstanta gas universal, sama dengan 8,31441 J / (mol K), R=KN A

tidak ada- Bilangan Avogadro \u003d 6.022045 * 10 23 mol -1.

Energi aktivasi Q logam yang berbeda bervariasi dari 100 hingga 600 kJ/mol.

8.2. Mekanisme difusi dalam logam dan polimer

Pertanyaan menentukan mekanisme difusi adalah kompleks. Cacat pada kisi kristal, terutama kekosongan, memainkan pengaruh besar.

Mekanisme difusi yang mungkin (Gbr. 8.2):

Pertukaran sederhana (1)

Pertukaran siklik (2)

Lowongan (3)

Pengantara sederhana (4)

Mekanisme perpindahan interstisial

kerumunan.

Koefisien difusi batas ( D) adalah 3-5 kali lipat lebih besar dari koefisien difusi volume.

Jadi, setiap teori difusi (pewarna dalam bahan berserat, komponen dalam plastik, pertukaran ion dalam bahan penukar ion, serta partikel dalam zat kristal, termasuk logam, semikonduktor, oksida, keramik, gelas, dll.) didasarkan pada hukum Fika. Ada dua hukum Fick - yang pertama dan yang kedua.

Hukum pertama Fick menjelaskan proses kuasi-stasioner ketika membran (pelat) permeabel untuk bertukar partikel memisahkan dua media (yang bisa cair atau gas) dengan kondisi substansial konstan pada antarmuka. Membran ini dapat bersifat inert terhadap zat yang dapat terdifusi (misalnya, kaca berpori yang memisahkan larutan garam berair dari berbagai konsentrasi atau komposisi garam) atau aktif terhadap satu atau lebih komponen yang dapat terdifusi (misalnya, membran paladium yang melewatkan hidrogen melalui dirinya sendiri). pada suhu tinggi dari karena proses penyerapan spesifik pada batasnya dan praktis tahan terhadap gas lain).

Persamaan yang menjelaskan hukum pertama Fick adalah:

di mana j adalah aliran materi melalui permukaan satuan, D adalah koefisien difusi (dalam kasus umum, koefisien interdifusi), C- konsentrasi melintasi ketebalan membran, sama dengan perbedaan konsentrasi zat yang ditransfer di kedua sisi membran, x- ketebalan membran.

Jelas, persamaan ini tidak berlaku untuk proses pembentukan lapisan seng yang sedang kita diskusikan, karena proses yang kita pelajari tidak stasioner.

Hukum kedua Fick menjelaskan proses non-stasioner, dan itu harus digunakan untuk menggambarkan keteraturan yang dihadapi baik ahli metalurgi maupun pekerja dari spesialisasi lain ketika menangani masalah perpindahan massa dalam padatan.

Mari kita perhatikan aksinya pada contoh berikut. Mari kita ambil dua sampel identik yang memiliki permukaan datar dan terdiri dari logam yang, di bawah pengaruh penyinaran neutron, mampu menciptakan atom radioaktif dengan sifat yang sama. Kami menyinari salah satu dari dua sampel dengan fluks neutron untuk membuat radioaktivitas di dalamnya, menghubungkan sampel yang diiradiasi dan tidak diiradiasi secara dekat pada permukaan, dan untuk mempercepat proses, kami akan mempertahankan komposisi ini pada suhu tinggi. Karena gerakan termal, atom radioaktif dari satu bagian sampel akan berdifusi ke bagian kedua, dan proses ini akan semakin dipromosikan, semakin tinggi suhu dan semakin lama waktu percobaan. Kemudian kami memisahkan sampel, dan di setiap sampel kami mengukur radioaktivitas lapis demi lapis (teknologi jenis eksperimen ini berkembang sangat baik). Sebagai hasil dari percobaan, kurva yang ditunjukkan pada Gambar. Nasi. 7.38, yang diproses secara tepat untuk menghitung koefisien difusi efektif. Konsentrasi ion radioaktif pada antarmuka akan sama dengan setengah dari sampel kiri asli, dan proses difusi itu sendiri akan dijelaskan oleh persamaan:

Metode pengolahan kurva tersebut, sebagai berikut dari literatur, diusulkan oleh seorang fisikawan bernama Matano, dan, sebagai suatu peraturan, disebut metode Matano dan kadang-kadang metode Matano-Boltzmann (mungkin karena fakta bahwa metode tersebut muncul sebagai hasil analisis solusi persamaan difusi diperoleh Boltzmann, salah satu fisikawan besar abad sebelumnya).

Jika permukaan sampel bersentuhan dengan beberapa media dalam bentuk cair, maka konsentrasi media ini pada antarmuka, sebagai aturan, tetap konstan, tetapi fitur percobaan ini, asalkan koefisien difusi efektif konstan, memiliki sedikit berpengaruh pada bentuk bagian depan pada sampel besi ( gbr.7.39).

Untuk proses galvanisasi, perlu untuk mensimulasikan gambar seperti itu. Dalam hal ini, konsentrasi zat yang berdifusi pada batas dua media praktis konstan, dan difusi zat ke dalam medium lain akan terus berlanjut hingga mencapai keadaan tunak.

Beras. 7.38. Bentuk bagian depan difusi pada kontak dua sampel padat, di mana salah satunya (dalam hal ini di sebelah kiri) atom radioaktif dibuat oleh iradiasi neutron, untuk dua nilai waktu percobaan.

Beras. 7.39

Persamaan difusi non-stasioner dijelaskan, sebagaimana telah disebutkan, oleh hukum kedua Fick, yang untuk difusi dengan konsentrasi konstan pada batas dua fase memiliki bentuk sebagai berikut:

di mana n= 2, 1, atau 0 untuk bola, silinder tak hingga, dan pelat tak hingga.

Untuk pelat tak hingga, persamaannya adalah:

Di bawah ini adalah solusi yang sesuai untuk tingkat penyelesaian pertukaran sebagai fungsi waktu pada koefisien difusi konstan:

untuk bola:

untuk piring:

dan untuk silinder tak terhingga:

μ adalah akar dari fungsi Bessel orde nol, Bt = 2 F 0

N- tingkat penyelesaian proses pertukaran

F 0 \u003d D * t / l 2- parameter tak berdimensi, di mana (D - koefisien difusi, t - waktu, l - parameter linier)

Persamaan ini menunjukkan fraksi atom (dari jumlah maksimum yang mungkin) yang terakumulasi di bagian sampel yang menyerap.

Analisis menunjukkan bahwa kurva yang dihasilkan ditunjukkan pada Nasi. 7.39, sama sekali tidak menyerupai bagian depan khas penyerapan seng oleh permukaan besi, gambar yang dapat dilihat di Nasi. 7.40. Menurut kurva yang diperoleh untuk Nasi. 7.39, ketebalan terbesar seharusnya ζ - dan G1-fase, dan δ -fase harus memiliki ketebalan menengah (sekitar η -fase kita akan bicara nanti). Hasil serupa (yaitu, tidak cocok dengan bagian depan yang ditunjukkan pada Nasi. 7.39) telah ditemukan dalam sejumlah besar penelitian, dan di sinilah permainan pikiran dimulai.

Beberapa mulai mencari alasan bahwa, karena benda yang diteliti memiliki struktur kristal, koefisien difusi dalam arah yang berbeda berbeda. Memang, ini telah dibuktikan dalam sejumlah kasus pada kristal tunggal. Tapi inilah masalahnya: baja adalah tubuh polikristalin, dan untuk proses galvanisasi, ini hampir tidak dapat menjelaskan keteraturan eksperimental yang disebutkan di atas.

Yang lain mencari alasan penyimpangan dari ketergantungan teoretis dalam metode Matano karena dalam persamaan hukum kedua Fick perlu digunakan bukan gradien konsentrasi, tetapi gradien potensial kimia. Dalam hal ini, persamaan menjadi jauh lebih rumit, dan tidak diketahui hasil apa - yang mencerminkan atau tidak mencerminkan kenyataan - yang akan diperoleh.

Akhirnya, yang ketiga mengambil jalur yang lebih benar secara logis. Faktanya, selama difusi dalam logam dengan pengotor (paduan), tidak satu jenis partikel berdifusi, tetapi setidaknya dua. Kedua jenis partikel ini saling berdifusi, apalagi memiliki mobilitas yang berbeda. Jika kita menghitung kecepatan gerakan mereka dari beberapa bidang imajiner ( Nasi 7.41 ), maka akan ditemukan bahwa setelah beberapa waktu percobaan, bidang ini akan bergerak menuju bagian sampel yang mengandung partikel yang lebih cepat ( Efek Kirkendal).

Beras. 7.40.

Beras. 7.41. Inti dari efek Kirkendal. Pelat kuningan dikelilingi oleh lapisan tembaga yang diendapkan secara elektrolitik, dan tanda kawat molibdenum awalnya dipasang di perbatasan sampel kuningan. Sebagai hasil dari penyimpanan sampel selama beberapa ratus jam pada suhu tinggi, tanda-tanda berpindah ke dalam sampel.

Saat menganalisis data tentang kinetika pembentukan lapisan seng-besi pada sampel, setiap fakta diteliti, termasuk jenis dan struktur paduan besi-seng yang terbentuk, tetapi hingga saat ini belum ada artikel yang menganalisis bentuk bagian depan seng. dalam lapisan. Sementara itu, bentuk bagian depan yang banyak bicara, dan justru penjelasan alasan pembentukannya yang bisa menjadi kunci deskripsi kuantitatif laju pembentukan lapisan besi-seng. berikut ini. Di hampir semua penelitian di daerah bersuhu rendah (kami tidak menemukan informasi yang dapat dipercaya tentang bentuk muka di daerah bersuhu tinggi), bentuk muka pecah terbentuk yang dekat dengan yang ditunjukkan pada Gambar. Nasi. 7.40. Bentuk ini tidak terlalu bergantung pada suhu proses, ketebalan lapisan yang dihasilkan, dan ada tidaknya silikon (fosfor) dalam sampel. Sementara itu, sangat sedikit proses yang ditandai dengan bentuk depan seperti itu. Salah satu proses tersebut adalah proses pembakaran dengan penghilangan cepat produk pembakaran yang dihasilkan dari permukaan. Untuk bola yang terbakar, misalnya, proses pembakaran dijelaskan dengan persamaan:

di mana R- jari-jari bola sebelum dimulainya pembakaran, r- jari-jari koordinat pembakaran, D- koefisien difusi.

Jelas, jika kita membuat sampel datar dengan perlindungan permukaan samping, maka proses pembakaran hanya akan terjadi pada salah satu permukaan tanpa mengubah luas sebenarnya, yaitu laju penurunan ketebalan sampel akan sebanding dengan waktu. Contoh dari proses tersebut adalah "menghisap sebatang rokok" oleh perokok otomatis dengan kecepatan konstan udara yang dihisap melalui sampel.

Sementara itu, di sebagian besar studi, ketergantungan kuadrat terbalik dari laju pembentukan lapisan (laju pelindian besi ke dalam lelehan) pada waktu diamati, yaitu, ketergantungan terpenuhi:

Namun, perlu hati-hati memeriksa pernyataan terakhir sebelum menerimanya sebagai aksioma.

pada Nasi. 7.42 dan 7.43 data diberikan pada ketergantungan tingkat akumulasi besi dalam lelehan tepat waktu pada berbagai suhu. Buku tersebut mengklaim bahwa memplot data ini dalam koordinat menghasilkan garis lurus untuk semua suhu, kecuali untuk data pada 510 ° C, di mana ada hubungan garis lurus. Mari kita periksa pernyataan ini.

difusi bebas. persamaan Fick.

Difusi adalah proses perpindahan zat dari daerah dengan konsentrasi tinggi ke daerah dengan konsentrasi yang lebih rendah karena pergerakan termal molekul.

Difusi partikel tak bermuatan menurun menuju gradien ini sampai mencapai keadaan setimbang, transpor pasif, karena tidak memerlukan pengeluaran energi eksternal. Karakteristik difusi - aliran materi (φ) perpindahan massa melalui permukaan S tegak lurus terhadap aliran materi per satuan waktu =φ/t

Rasio aliran materi dengan luas kerapatan fluks j=φ/s

persamaan difusi Fick

j=-Ddc/dx=-DSgradC

"=" - menunjukkan arah aliran ke arah penurunan konsentrasi (yaitu terhadap gradC) Koefisien difusi D D=RT/(6πηrN_A)

Untuk biomembran, koefisien distribusi zat antara lapisan lipid dan air sangat penting. Oleh karena itu j=D_k/l(C_2-C_1)

Melalui difusi sederhana, zat organik hidrofobik dengan berat molekul rendah (asam lemak) menembus lapisan ganda fosfolipid

Nomor tiket 18

Keunikan transpor pasif ion. permeabilitas membran. Peran pembawa dan saluran dalam transpor pasif zat hidrofilik melintasi membran biologis. Struktur dan sifat dasar saluran membran. Difusi yang terfasilitasi.

Elektrodifusi-difusi partikel bermuatan listrik (ion) di bawah pengaruh gradien konseptual dan listrik. Lapisan ganda lipid tidak permeabel terhadap ion, mereka hanya dapat menembus melalui struktur khusus - saluran ion, yang dibentuk oleh protein integral.Kekuatan pendorong difusi bukan hanya perbedaan konsentrasi. Ion di dalam dan di luar sel, tetapi juga perbedaan potensial EC (elektrokimia) yang diciptakan oleh ion-ion ini di kedua sisi membran => aliran difus ion ditentukan oleh gradien potensial EC. Potensial EC menentukan energi bebas ion dan memperhitungkan semua gaya yang dapat menyebabkan ion bergerak Untuk zat terlarut: = 0 + R*T*lnC + z*F*φ

di mana 0 adalah potensial kimia standar, tergantung pada sifat pelarut.

- konsentrasi zat R - konstanta gas T - suhu z - valensi ion F - bilangan Faraday - potensial listrik

Densitas fluks ion Zav-Th dari potensial EH. Mobilitas U dari ion, gradien dµ/dx-EC ditentukan oleh persamaan Theorell Mengganti ekspresi untuk potensial EC dalam persamaan Theorell, seseorang dapat memperoleh urNerist-Planck dengan memperhitungkan 2x grad C, yang menentukan difusi dari ion. =D dc/dx-uƶFCdȹ/dx

Saluran ion adalah protein integral atau kompleks protein yang tertanam dalam membran sel. Ketika melewati saluran, ion mengalami aksi medan listrik yang diciptakan oleh muatan yang terletak di sisi dalam saluran.

Saluran ion membran adalah protein membran integral yang membentuk lubang di membran yang diisi dengan air. Sejumlah saluran ion ditemukan di plasmalemma, yang memiliki spesifisitas tinggi, memungkinkan pergerakan saluran satu jenis ion.Ada saluran Na, Cl, masing-masing memiliki filter selektif yang hanya dapat melewatkan ion tertentu. Permeabilitas saluran ion dapat berubah karena adanya gerbang kelompok atom tertentu dalam komposisi protein, membentuk saluran. Perubahan konformasi di gerbang karena perubahan potensial EH atau aksi zat kimia tertentu yang melakukan fungsi sinyal.

Difusi terfasilitasi molekul hidrofobik Molekul hidrofilik besar (gula, asam amino) bergerak melalui membran. dengan bantuan pembawa. Jenis transportasi ini adalah difusi, karena transportasi di pulau bergerak sepanjang gradC tanpa energi tambahan. Ciri lain dari difusi terfasilitasi adalah fenomena saturasi. Aliran zat yang diangkut oleh jalur difusi tumbuh tergantung pada gradC hanya sampai nilai tertentu. Kemudian peningkatan aliran berhenti, karena sistem transportasi terisi penuh. Kinetika wilayah difusi ditampilkan oleh kontrol Michaelis Menten. =ϳ_max C_e/(C_e+K_m) Konstanta KM-Michaelis sama dengan konsentrasi materi di luar kerapatan fluks sama dengan setengah maksimum.

Ciri-ciri difusi terfasilitasi adalah sebagai berikut:

1) transfer zat dengan partisipasi pembawa terjadi lebih cepat;

2) difusi terfasilitasi memiliki sifat kejenuhan: dengan peningkatan konsentrasi di satu sisi membran, kerapatan fluks suatu zat hanya meningkat hingga batas tertentu, ketika semua molekul pembawa sudah terisi;

3) dengan difusi terfasilitasi, persaingan zat yang ditransfer diamati dalam kasus di mana zat yang berbeda ditransfer oleh pembawa; sementara beberapa zat ditoleransi lebih baik daripada yang lain, dan penambahan beberapa zat membuat sulit untuk mengangkut yang lain; dengan demikian, di antara gula, glukosa lebih baik ditoleransi daripada fruktosa, fruktosa lebih baik daripada xilosa, dan xilosa lebih baik daripada arabinosa, dll.;

4) ada zat yang menghalangi difusi terfasilitasi - mereka membentuk kompleks yang kuat dengan molekul pembawa, misalnya, phloridzin menghambat pengangkutan gula melalui membran biologis.

persamaan Fick

Dalam kebanyakan kasus praktis, konsentrasi C digunakan sebagai pengganti potensial kimia.Penggantian langsung oleh C menjadi tidak benar dalam kasus konsentrasi tinggi, karena potensial kimia terkait dengan konsentrasi menurut hukum logaritmik. Jika kita tidak mempertimbangkan kasus seperti itu, maka rumus di atas dapat diganti dengan yang berikut:

yang menunjukkan bahwa kerapatan fluks zat J sebanding dengan koefisien difusi D dan gradien konsentrasi. Persamaan ini mengungkapkan hukum pertama Fick (Adolf Fick adalah seorang ahli fisiologi Jerman yang menetapkan hukum difusi pada tahun 1855). Hukum kedua Fick menghubungkan perubahan spasial dan temporal dalam konsentrasi (persamaan difusi):

Koefisien difusi D tergantung pada suhu. Dalam sejumlah kasus, dalam kisaran suhu yang luas, ketergantungan ini adalah persamaan Arrhenius.

Proses difusi sangat penting di alam:

Nutrisi, respirasi hewan dan tumbuhan;

Penetrasi oksigen dari darah ke jaringan manusia.

Transportasi pasif

Transpor pasif adalah perpindahan zat dari tempat dengan nilai potensial elektrokimia yang besar ke tempat dengan nilai yang lebih rendah.

Dalam percobaan dengan lapisan ganda lipid buatan, ditemukan bahwa semakin kecil molekul dan semakin sedikit ikatan hidrogen yang terbentuk, semakin cepat ia berdifusi melalui membran. Jadi, semakin kecil molekul dan semakin larut dalam lemak (hidrofobik atau non-polar), semakin cepat ia akan menembus membran. Difusi zat melintasi lapisan ganda lipid disebabkan oleh gradien konsentrasi melintasi membran. Molekul zat yang tidak larut dalam lemak dan ion terhidrasi yang larut dalam air (dikelilingi oleh molekul air) menembus membran melalui pori-pori lipid dan protein. Molekul non-polar kecil mudah larut dan berdifusi dengan cepat. Molekul polar yang tidak bermuatan pada ukuran kecil juga dapat larut dan berdifusi.

Yang penting, air menembus lapisan ganda lipid dengan sangat cepat meskipun relatif tidak larut dalam lemak. Ini disebabkan oleh fakta bahwa molekulnya kecil dan netral secara listrik.

Osmosis adalah pergerakan preferensial molekul air melintasi membran semipermeabel (permeabel terhadap zat terlarut dan permeabel terhadap air) dari tempat dengan konsentrasi zat terlarut lebih rendah ke tempat dengan konsentrasi lebih tinggi. Osmosis, pada dasarnya, adalah difusi sederhana air dari tempat konsentrasi tinggi ke tempat konsentrasi air yang lebih rendah. Osmosis memainkan peran penting dalam banyak fenomena biologis. Fenomena osmosis menyebabkan hemolisis eritrosit dalam larutan hipotonik.

Jadi, membran dapat melewatkan air dan molekul non-polar melalui difusi sederhana.

Perbedaan antara difusi terfasilitasi dan sederhana

• 1) transfer zat dengan partisipasi pembawa terjadi lebih cepat;
• 2) difusi terfasilitasi memiliki sifat kejenuhan: dengan peningkatan konsentrasi di satu sisi membran, kerapatan fluks suatu zat hanya meningkat hingga batas tertentu, ketika semua molekul pembawa sudah terisi;
• 3) dengan difusi terfasilitasi, persaingan zat yang ditransfer diamati dalam kasus di mana zat yang berbeda ditransfer oleh pembawa; sementara beberapa zat ditoleransi lebih baik daripada yang lain, dan penambahan beberapa zat membuat sulit untuk mengangkut yang lain; Jadi di antara gula, glukosa lebih baik ditoleransi daripada fruktosa, fruktosa lebih baik dari xilosa, dan xilosa lebih baik dari arabinosa, dll. dll.;
• 4) ada zat yang menghalangi difusi terfasilitasi - mereka membentuk kompleks yang kuat dengan molekul pembawa, misalnya, phloridzin menghambat pengangkutan gula melalui membran biologis.