Commençons par le fait que le liquide est un état intermédiaire d'agrégation. Au point d'ébullition critique, il est similaire aux gaz, et à basse température, des caractéristiques similaires à un solide apparaissent. Un liquide n'a pas de modèle idéal, ce qui complique considérablement la description de ses propriétés thermodynamiques à l'équilibre, point de congélation, viscosité, diffusion, conductivité thermique, tension superficielle, entropie, enthalpie.
Définition
Qu'est-ce que la diffusion ? C'est l'étalement, la répartition, le mouvement des particules du milieu, qui conduit au transfert de matière, à l'établissement des concentrations d'équilibre. En l'absence d'influences extérieures, ce processus est déterminé par le mouvement thermique des particules. Dans ce cas, le processus de diffusion est directement proportionnel à la concentration. Le flux de diffusion changera de la même manière que le gradient de concentration.
Variétés
Si la diffusion dans un liquide s'accompagne d'un changement de température, on parle de diffusion thermique, dans un champ électrique - électrodiffusion.
Le processus de mouvement des grosses particules dans un liquide ou un gaz se produit souslois du mouvement brownien.
Caractéristiques du flux
La diffusion dans les gaz, les liquides et les solides se fait à des vitesses différentes. En raison des différences dans la nature du mouvement thermique des particules dans différents milieux, le processus a la vitesse maximale dans les gaz et la vitesse minimale - dans les solides.
La trajectoire de la particule est une ligne brisée, puisque la direction et la vitesse changent périodiquement. En raison du mouvement désordonné, un retrait progressif de la particule de sa position d'origine est observé. Son déplacement le long d'une ligne droite est beaucoup plus court que le chemin qui se déroule le long d'un chemin interrompu.
Loi de Fick
La diffusion dans un liquide obéit à deux lois de Fick:
- la densité de flux de diffusion est directement proportionnelle à la concentration avec le coefficient de diffusion;
- Le taux de variation de la densité du flux de diffusion est directement proportionnel au taux de variation de la concentration et a la direction opposée.
La diffusion dans un liquide est caractérisée par des sauts de molécules d'une position d'équilibre à une autre. Chacun de ces sauts est observé lorsque de l'énergie est transmise à la molécule dans un volume suffisant pour rompre la liaison avec d'autres particules. Le saut moyen ne dépasse pas la distance entre les molécules.
Lorsque nous discutons de ce qu'est la diffusion dans un liquide, nous remarquons que le processus dépend de la température. Avec son augmentation, le «relâchement» de la structure liquide se produit, à la suite de quoi il y a une forte augmentation dele nombre de sauts par unité de temps.
La diffusion dans les gaz, les liquides et les solides présente des caractéristiques particulières. Par exemple, dans les solides, le mécanisme est associé au mouvement des atomes dans le réseau cristallin.
Caractéristiques du phénomène
La diffusion dans un liquide présente un intérêt pratique du fait qu'elle s'accompagne de l'égalisation de la concentration d'une substance dans un milieu initialement inhomogène. Beaucoup plus de particules s'échappent des zones à forte concentration.
Expériences
Des expériences avec des liquides ont montré que la diffusion revêt une importance particulière dans la cinétique chimique. Au cours d'un processus chimique à la surface de réactifs ou d'un catalyseur, ce processus contribue à la détermination de la vitesse d'élimination des produits de réaction et à l'ajout des réactifs initiaux.
Qu'est-ce qui explique la diffusion dans les liquides ? Les molécules de solvant sont capables de pénétrer à travers les membranes translucides, ce qui entraîne une pression osmotique. Ce phénomène a trouvé une application dans les méthodes chimiques et physiques de séparation des substances.
Systèmes biologiques
Dans ce cas, des modèles de diffusion peuvent être envisagés sur l'exemple de l'oxygène de l'air entrant dans les poumons, de l'absorption des produits digestifs de l'intestin dans le sang, de l'absorption des éléments minéraux par les poils absorbants. La diffusion d'ions se produit lors de la génération d'impulsions bioélectriques par les cellules musculaires et nerveuses.
Facteur physique qui affectela sélectivité de l'accumulation dans les cellules du corps de certains éléments, est la vitesse différente de pénétration des ions à travers les membranes cellulaires. Ce processus peut être exprimé par la loi de Fick, en remplaçant la valeur du coefficient de diffusion par la perméabilité de la membrane, et au lieu du gradient de concentration, utilisez la différence de valeurs des deux côtés de la membrane. Avec la pénétration par diffusion de l'eau et des gaz dans la cellule, les indicateurs de pression osmotique à l'extérieur et à l'intérieur de la cellule changent.
En analysant de quoi dépend la diffusion, nous remarquons qu'il existe plusieurs types de ce processus. La forme simple est associée au libre transfert des ions et des molécules vers le gradient de leur potentiel électrochimique. Par exemple, cette option convient aux substances dans lesquelles les molécules sont de petite taille, par exemple l'alcool méthylique, l'eau.
La variante limitée suppose un faible transfert de matière. Par exemple, même de petites particules ne peuvent pas pénétrer dans une cellule.
Pages d'histoire
La diffusion a été découverte à l'apogée de la culture grecque antique. Démocrite et Anaxogore étaient convaincus que toute substance est constituée d'atomes. Ils ont expliqué la variété des substances communes dans la nature par les connexions entre les atomes individuels. Ils ont supposé que ces particules pouvaient se mélanger pour former de nouvelles substances. Parmi les fondateurs de la théorie moléculaire-cinétique, qui expliquait le mécanisme de diffusion, Mikhail Lomonosov a joué un rôle particulier. Ils donnèrent une définition à une molécule, un atome, et expliquèrent le mécanisme de dissolution.
Expériences
L'expérience avec le sucre permet de comprendre toutes les caractéristiques de la diffusion. Si vous mettez un morceau de sucre dans du thé froid, un sirop épais se formera progressivement au fond de la tasse. Il est visible à l'œil nu. Après un certain temps, le sirop sera uniformément réparti dans tout le volume du liquide et ne sera plus visible. Ce processus se déroule spontanément et n'implique pas de mélanger les composants de la solution. De même, le parfum du parfum se répand dans toute la pièce.
Les expériences ci-dessus montrent que la diffusion est un processus spontané de pénétration de molécules d'une substance dans une autre. La propagation de la matière se produit dans toutes les directions, malgré la présence de la gravité. Un tel processus est une confirmation directe du mouvement constant des molécules de matière.
Ainsi, dans l'exemple ci-dessus, la diffusion des molécules de sucre et d'eau s'effectue, ce qui s'accompagne d'une répartition uniforme des molécules de matière organique dans tout le volume du liquide.
Les expériences permettent de détecter la diffusion non seulement dans les liquides, mais aussi dans les substances gazeuses. Par exemple, vous pouvez installer un récipient avec de la vapeur d'éther sur la balance. Progressivement, les tasses vont s'équilibrer, puis le verre d'éther va s'alourdir. Quelle est la raison de ce phénomène ?
Au fil du temps, les molécules d'éther se mélangent aux particules d'air et une odeur spécifique commence à se faire sentir dans la pièce. Dans un cours de physique au lycée, une expérience est envisagée dans laquelle un enseignant dissout un grain de permanganate de potassium (permanganate de potassium) dans de l'eau. Au début, une trajectoire claire du mouvement du grain est visible,mais peu à peu toute la solution acquiert une teinte uniforme. Sur la base de l'expérience, l'enseignant explique les caractéristiques de la diffusion.
Pour identifier les facteurs qui affectent la vitesse du processus dans les liquides, vous pouvez utiliser de l'eau à différentes températures. Dans un liquide chaud, le processus de mélange mutuel des molécules est observé beaucoup plus rapidement, il existe donc une relation directe entre la valeur de la température et la vitesse de diffusion.
Conclusion
Les expériences menées avec des gaz, des liquides et des solides permettent de formuler les lois de la physique, d'établir la relation entre les grandeurs individuelles.
C'est à la suite des expériences que le mécanisme de pénétration mutuelle des particules d'une substance dans une autre a été établi, la nature chaotique de leur mouvement a été prouvée. Empiriquement, il a été constaté que la diffusion se produit le plus rapidement dans les substances gazeuses. Ce processus est d'une grande importance pour la faune, est utilisé dans la science et la technologie.
Grâce à ce phénomène, la composition homogène de l'atmosphère terrestre est maintenue. Sinon, la stratification de la troposphère en substances gazeuses séparées serait observée, et le dioxyde de carbone lourd, impropre à la respiration, serait le plus proche de la surface de notre planète. À quoi cela mènerait-il ? La faune cesserait tout simplement d'exister.
Le rôle de la diffusion dans le monde végétal est également important. La cime luxuriante des arbres peut s'expliquer par un échange par diffusion à travers la surface des feuilles. En conséquence, non seulement la respiration est effectuée, mais également la nutrition de l'arbre. Actuellement en agriculturel'alimentation foliaire des arbustes et des arbres est utilisée, ce qui implique de pulvériser la cime avec des composés chimiques spéciaux.
C'est lors de la diffusion que la plante reçoit les nutriments du sol. Les processus physiologiques se produisant dans les organismes vivants sont également associés à ce phénomène. Par exemple, l'équilibre salin est impossible sans diffusion. Ces processus sont d'une grande importance pour l'approvisionnement en oxygène des lacs et des rivières. Le gaz pénètre dans les profondeurs du réservoir précisément par diffusion. Si un tel processus était absent, la vie à l'intérieur du réservoir cesserait d'exister.
La consommation de médicaments qui permettent à une personne de se protéger des agents pathogènes de diverses maladies et d'améliorer son bien-être repose également sur la diffusion. Ce phénomène est utilisé dans le soudage des métaux, la production de jus de sucre à partir de chips de betterave et la préparation de confiseries. Il est difficile de trouver une telle branche de l'industrie moderne où la diffusion n'est pas utilisée.
