Entre los numerosos fenómenos de la física, el proceso de difusión es uno de los más simples y comprensibles. Después de todo, cada mañana, preparándose té o café fragante, una persona tiene la oportunidad de observar esta reacción en la práctica. Aprendamos más sobre este proceso y las condiciones para su ocurrencia en diferentes estados agregados.
Qué es la difusión
Esta palabra se refiere a la penetración de moléculas o átomos de una sustancia entre unidades estructurales similares de otra. En este caso, se nivela la concentración de compuestos penetrantes.
Este proceso fue descrito por primera vez en detalle por el científico alemán Adolf Fick en 1855
El nombre de este término se formó a partir del sustantivo verbal latino diffusio (interacción, dispersión, distribución).
Difusión en un líquido
El proceso en cuestión puede ocurrir con sustancias en los tres estados de agregación: gaseoso, líquido y sólido. Para ejemplos prácticos de esto, basta con mirarcocina.
El borscht hervido en estufa es uno de ellos. Bajo la influencia de la temperatura, las moléculas de glucosina betanina (una sustancia por la cual las remolachas tienen un color escarlata tan rico) reaccionan uniformemente con las moléculas de agua, dándole un tono burdeos único. Este caso es un ejemplo de difusión en líquidos.
Además del borscht, este proceso también se puede ver en un vaso de té o café. Ambas bebidas tienen un tono tan rico y uniforme debido al hecho de que las hojas de té o las partículas de café, al disolverse en agua, se distribuyen uniformemente entre sus moléculas, coloreándolas. La acción de todas las bebidas instantáneas populares de los noventa se basa en el mismo principio: Yupi, Invite, Zuko.
Interpenetración de gases
Continuando con la búsqueda de manifestaciones del proceso en cuestión en la cocina, vale la pena oler y disfrutar del agradable aroma que emana de un ramo de flores frescas en la mesa del comedor. ¿Por qué sucede esto?
Los átomos y moléculas que transportan olores están en movimiento activo y, como resultado, se mezclan con partículas que ya están en el aire y se dispersan de manera bastante uniforme en el volumen de la habitación.
Esta es una manifestación de la difusión en los gases. Vale la pena señalar que la misma inhalación de aire también pertenece al proceso en cuestión, así como el apetitoso olor a borscht recién cocinado en la cocina.
Difusión en sólidos
La mesa de la cocina con flores está cubierta con un mantel amarillo brillante. Ella recibió un tono similar gracias ala capacidad de difusión para pasar a través de sólidos.
El proceso de dar al lienzo un tono uniforme se lleva a cabo en varias etapas, tal como se indica a continuación.
- Partículas de pigmento amarillo difundidas en el depósito de tinta hacia el material fibroso.
- Luego fueron absorbidos por la superficie exterior de la tela teñida.
- El siguiente paso fue nuevamente difundir el tinte, pero esta vez en las fibras de la red.
- Al final, la tela fijó las partículas de pigmento, convirtiéndose así en color.
Difusión de gases en metales
Usualmente, hablando de este proceso, considere la interacción de sustancias en el mismo estado de agregación. Por ejemplo, difusión en sólidos, sólidos. Para probar este fenómeno, se realiza un experimento con dos placas de metal presionadas una contra la otra (oro y plomo). La interpenetración de sus moléculas lleva bastante tiempo (un milímetro cada cinco años). Este proceso se usa para hacer joyas inusuales.
Sin embargo, los compuestos en diferentes estados agregados también son capaces de difundirse. Por ejemplo, hay difusión de gases en sólidos.
Durante los experimentos se demostró que tal proceso tiene lugar en el estado atómico. Para activarlo, por regla general, se necesita un aumento significativo de la temperatura y la presión.
Un ejemplo de tal difusión gaseosa en sólidos es la corrosión por hidrógeno. Se manifiesta en situaciones en las queLos átomos de hidrógeno (Н2) que han surgido en el curso de alguna reacción química bajo la influencia de altas temperaturas (de 200 a 650 grados Celsius) penetran entre las partículas estructurales del metal.
Además del hidrógeno, la difusión de oxígeno y otros gases también puede ocurrir en los sólidos. Este proceso, imperceptible a la vista, hace mucho daño, porque las estructuras metálicas pueden colapsar a causa de él.
Difusión de líquidos en metales
Sin embargo, no solo las moléculas de gas pueden penetrar en los sólidos, sino también en los líquidos. Como en el caso del hidrógeno, la mayoría de las veces este proceso conduce a la corrosión (cuando se trata de metales).
Un ejemplo clásico de difusión de líquidos en sólidos es la corrosión de metales bajo la influencia del agua (H2O) o soluciones electrolíticas. Para la mayoría, este proceso es más familiar bajo el nombre de oxidación. A diferencia de la corrosión por hidrógeno, en la práctica tiene que encontrarse con mucha más frecuencia.
Condiciones para acelerar la difusión. Coeficiente de difusión
Habiendo tratado las sustancias en las que puede ocurrir el proceso en consideración, vale la pena conocer las condiciones para que ocurra.
En primer lugar, la velocidad de difusión depende del estado agregado de las sustancias que interactúan. Cuanto mayor sea la densidad del material en el que se produce la reacción, más lenta será su velocidad.
En este sentido, la difusión en líquidos y gases siempre será más activa que en sólidos.
Por ejemplo, si los cristalespermanganato de potasio KMnO4 (permanganato de potasio) echen al agua, le darán un hermoso color frambuesa en unos minutos Color. Sin embargo, si espolvorea cristales de KMnO4 en un trozo de hielo y lo pone todo en el congelador, después de unas horas, el permanganato de potasio no poder colorear completamente el congelado H 2O.
Del ejemplo anterior, se puede sacar una conclusión más sobre las condiciones de difusión. Además del estado de agregación, la temperatura también afecta la tasa de interpenetración de las partículas.
Para considerar la dependencia del proceso bajo consideración, vale la pena aprender sobre un concepto como el coeficiente de difusión. Este es el nombre de la característica cuantitativa de su velocidad.
En la mayoría de las fórmulas, se denota con una letra latina mayúscula D y en el sistema SI se mide en metros cuadrados por segundo (m²/s), a veces en centímetros por segundo (cm2 /m).
El coeficiente de difusión es igual a la cantidad de materia dispersada por una unidad de superficie durante una unidad de tiempo, siempre que la diferencia de densidad en ambas superficies (situadas a una distancia igual a una unidad de longitud) sea igual a uno. Los criterios que determinan D son las propiedades de la sustancia en la que tiene lugar el proceso de dispersión de partículas y su tipo.
La dependencia del coeficiente con la temperatura puede describirse mediante la ecuación de Arrhenius: D=D0exp(-E/TR).
En la fórmula considerada E es la energía mínima requerida para activar el proceso; T - temperatura (medida en Kelvin, no Celsius); R-constante de gas característica de un gas ideal.
Además de todo lo anterior, la velocidad de difusión en sólidos, líquidos en gases se ve afectada por la presión y la radiación (inductiva o de alta frecuencia). Además, mucho depende de la presencia de una sustancia catalítica, a menudo actúa como desencadenante del inicio de la dispersión activa de partículas.
Ecuación de difusión
Este fenómeno es una forma particular de la ecuación diferencial parcial.
Su objetivo es encontrar la dependencia de la concentración de una sustancia con el tamaño y las coordenadas del espacio (en el que se difunde), así como del tiempo. En este caso, el coeficiente dado caracteriza la permeabilidad del medio para la reacción.
La mayoría de las veces, la ecuación de difusión se escribe de la siguiente manera: ∂φ (r, t)/∂t=∇ x [D(φ, r) ∇ φ (r, t)].
En él φ (t y r) es la densidad de la sustancia dispersante en el punto r en el tiempo t. D (φ, r) - coeficiente de difusión generalizado en la densidad φ en el punto r.
∇ - operador diferencial vectorial cuyos componentes son derivadas parciales en coordenadas.
Cuando el coeficiente de difusión depende de la densidad, la ecuación no es lineal. Cuando no - lineal.
Habiendo considerado la definición de difusión y las características de este proceso en diferentes entornos, se puede observar que tiene aspectos tanto positivos como negativos.
