Узнать цену работы
Статьи по теме

Диффузии веществ

Виды диффузий веществ

Влияние природы взаимодействующих при диффузии веществ

Пример диффузии веществ

Определение

Под термином «диффузия веществ» понимается процесс, при котором два или больше веществ самопроизвольно перемешиваются и, таким образом, взаимодействуют между собой. Если иначе, то диффузия – это следствие хаотичного движения молекул.

Огромное значение подобное явление имеет в окружающем мире в частности в технике и в быту. Отмечается как положительное, так и отрицательное влияние процессов диффузии на жизнедеятельность человека.

Как пример положительного воздействия можно назвать поддержание воздуха атмосферы непосредственно над земной поверхностью в однородном состоянии. Неоценима роль диффузии в сфере науки и техники. Без нее не обойтись при осуществлении химических реакций.

Виды диффузий веществ

В результате беспорядочно перемещающихся частиц происходит перенос вещества между различными частями системы. Подобный процесс выступает в качестве основной характеристики диффузии.

В природе существует несколько разновидностей этого явления:

  • Самодиффузия – смешение частиц одного вещества, протекающее без привлечения какого-либо воздействия со стороны.
  • Концентрационная диффузия являет собой перемещение веществ под некоторым воздействием градиента концентрации. Подобный вид диффузии еще называют нисходящей. Причиной тому является перемещение вещества из одной части системы, характеризующейся большей концентрацией, к участкам с меньшим ее содержанием.
  • Термодиффузией характеризуется перенос вещества при воздействии на него определенных температур. Этот процесс образуется за счет того что в температурном поле появляется градиент химического потенциала перемещающегося из частей системы вещества с присущим для него высоким химическим потенциалом туда, где имеются участки с низким потенциалом. Вследствие этого происходит изменение концентрации вещества в обратном направлении, что определяет название подобной диффузии – восходящая.
  • Под реактивной диффузией понимается перемещение вещества в те участки системы, где оно сможет образовать с другим компонентом химический раствор.
  • В физике наиболее изученным и самым простым явлением считается концентрационная диффузия.

Уравнением законов Фика можно отследить процессы этой разновидности:

dm=−DdSdxdc/dx, при этом:

dm - количество участвующего в диффузии вещества;

D – коэффициент диффузии;

dS – величина сечение диффузионного потока,

dc/dx – определение градиента концентрации с отрицательным значением из-за направленности диффузии от большей к меньшей концентрации.

Влияние природы взаимодействующих при диффузии веществ

В целом, значение коэффициента диффузии, обозначаемого буквой D, зависит от отличий между свойствами природ диффундирующего элемента и растворителя

Выразить зависимость коэффициента диффузии от величины концентрации диффундирующего элемента можно в следующей формуле:

D= , при этом:

Ct – концентрация, соответствующая пределу насыщения твердого раствора;

Cx– концентрация участвующего в диффузии элемента;

Do – предельная величина коэффициента диффузии при снижении концентрации растворенного элемента до нуля.

Замечание

В зависимости от того, к какому типу будет относиться образуемый элементами раствор – внедрению или замещению, определяется степень активности диффузии.

Если атомы диффундирующего вещества расположатся промежду узлов основной решетки, значительно меньшими будут энергетические затраты. Подобное явление обусловлено тем, что при прохождении процесса атомы из узлов не изымаются. В таких условиях диффузия протекает намного быстрее.

Скорость диффузии также будет существенно зависеть от присутствия в твердом растворе, в котором уже есть как диффундирующее так и основное вещество, еще и третьего компонента. На воздействие подобного рода будет влиять ряд важных факторов.

Затруднение процесса может возникнуть в результате растворения твердого компонента, который занимает свободные места.

Легкое протекание процесса возможно при искажении структуры кристаллической решетки за счет присутствия в ней атомов.

Существенное ускорение диффузии наблюдается по границам зерен металла с сильным искажением структуры. Атомные слои, располагающиеся вблизи поверхности металла, также характеризуются искаженной кристаллической решеткой и, как результат, повышенным запасом энергии. Это явление объясняет более быстрое растворение веществ у поверхности, чем на уровне внутренних объемов.

При сравнении крупных и мелких кристаллов последние характеризуются большей величиной поверхностной энергии рассчитанной на единицу массы металла. Такое отличие вызвано тем, что, как свидетельствуют законы термодинамики, кристаллы имеют свойство расти всегда, ведь это хорошо видно по уменьшению свободной энергии в пределах системы. Тем не менее, в условиях пониженных температур эта тенденция не так заметна ввиду того, что количество блуждающих атомов не будет так сильно увеличиваться. И наоборот, повышение температуры будет влиять на рост числа подобных атомов. Вместе с тем в более мелких кристаллах их будет значительно больше, чем в крупных, так как в мелких зернах содержится больший запас энергии.

При этом наблюдается формирование диффузионных потоков атомов по направлению от меньших по размеру кристаллов к более крупным. Разрыв между размерами увеличивается, что способствует ускорению процесса и максимальному поглощению крупными кристаллами более мелких элементов.

Пример диффузии веществ

С помощью последующей формулы можно рассмотреть пример диффузии вещества из внутреннего объема к поверхностному слою катализатора или реагирующих веществ. Таким образом, превращение вещества будет иметь вид реакции первого порядка, если скорость равняется

Wхим=ksCп, при этом:

Wхим – количество вещества, взятого для реакции у поверхности S в единицу времени;

Сп – показатель концентрации реагента у поверхности.

Вследствие превращения показатель Сп в объеме раствора Соб становится значительно меньше в сравнении с концентрацией вещества.

Всю реагирующую смесь можно разделить на две области:

  • с постоянной концентрацией ниже поверхности реакции;
  • со скоро меняющейся концентрацией непосредственно вблизи этой поверхности.

С помощью экспериментов было определено нулевое значение скорости, с которой движется жидкость на всех твердых граничащих с ней поверхностях. Вещество перемещается сквозь прилегающий к грани твердого тела недвижный слой жидкости, чему как раз и способствует диффузия реагирующих компонентов.

Замечание

Недвижимый слой имеет специально данное ему название – слой Нернста Его толщина будет зависеть от таких факторов как свойства растворителя и растворенного в нем вещества, а также скорости перемещения и прочих.

Например, для жидкости приемлемая толщина данного слоя δ находится в диапазоне примерно от 0.02 мм до 0.05 мм а то и меньше. Вне этих пределов движение жидкости может спровоцировать выравнивание концентраций в объеме раствора. При помощи уравнения Фика определяется перенос массы вследствие диффузии

dn/dt=−SDdC/dx, при этом:

dn/dt – количество диффундирующего за единицу времени вещества через фиксированную поверхность S в направлении к возрастающим значениям x$, где;

x – направление процесса перемещения;

D – коэффициент диффузии.

Узнать цену работы
Узнай цену
своей работы
Нужны оригинальность, уникальность и персональный подход?
Закажи свою оригинальную работу
УЗНАТЬ СТОИМОСТЬ