การแพร่กระจายในของแข็ง ของเหลว และก๊าซ: คำจำกัดความ เงื่อนไข

2024 ผู้เขียน: Angel Austin | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2023-12-17 05:43

ท่ามกลางปรากฏการณ์ทางฟิสิกส์มากมาย กระบวนการแพร่เป็นหนึ่งในวิธีที่ง่ายที่สุดและเข้าใจได้มากที่สุด ท้ายที่สุดทุกเช้าการเตรียมชาหรือกาแฟที่มีกลิ่นหอมบุคคลมีโอกาสสังเกตปฏิกิริยานี้ในทางปฏิบัติ มาเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับกระบวนการนี้และเงื่อนไขสำหรับการเกิดขึ้นในสถานะรวมที่แตกต่างกัน

การแพร่กระจายคืออะไร

คำนี้หมายถึงการแทรกซึมของโมเลกุลหรืออะตอมของสารหนึ่งระหว่างหน่วยโครงสร้างที่คล้ายกันของอีกหน่วยหนึ่ง ในกรณีนี้ ความเข้มข้นของสารประกอบที่แทรกซึมจะถูกปรับระดับ

กระบวนการนี้ได้รับการอธิบายอย่างละเอียดครั้งแรกโดยนักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมันชื่อ Adolf Fick ในปี 1855

ชื่อของคำนี้มาจากคำนามภาษาละติน diffusio (การโต้ตอบ การกระจาย การแจกแจง)

การแพร่กระจายในของเหลว

กระบวนการที่กำลังพิจารณาสามารถเกิดขึ้นได้กับสารในสถานะการรวมตัวทั้งสามสถานะ: ก๊าซ ของเหลว และของแข็ง สำหรับตัวอย่างเชิงปฏิบัติของสิ่งนี้ ให้ดูที่ห้องครัว

บอร์ชท์ต้มในเตาก็เป็นหนึ่งในนั้น ภายใต้อิทธิพลของอุณหภูมิ โมเลกุลของกลูโคซินเบตานิน (สารเนื่องจากหัวบีตมีสีแดงเข้มเช่นนี้) ทำปฏิกิริยากับโมเลกุลของน้ำอย่างสม่ำเสมอ ทำให้ได้เฉดสีเบอร์กันดีอันเป็นเอกลักษณ์ กรณีนี้เป็นตัวอย่างของการแพร่กระจายในของเหลว

นอกจาก Borscht แล้ว คุณยังเห็นกระบวนการนี้ในชาหรือกาแฟหนึ่งแก้วอีกด้วย เครื่องดื่มทั้งสองนี้มีเฉดสีที่สม่ำเสมอเช่นนี้เนื่องจากใบชาหรืออนุภาคของกาแฟที่ละลายในน้ำกระจายอย่างสม่ำเสมอระหว่างโมเลกุลของมันและทำให้สี การกระทำของเครื่องดื่มสำเร็จรูปยอดนิยมทั้งหมดของยุคนั้นสร้างขึ้นบนหลักการเดียวกัน: Yupi, เชิญ, Zuko

แทรกซึมของก๊าซ

การมองหากระบวนการที่เป็นปัญหาในห้องครัวต่อไปนั้นคุ้มค่าที่จะสูดกลิ่นและเพลิดเพลินกับกลิ่นหอมที่เล็ดลอดออกมาจากช่อดอกไม้สดบนโต๊ะอาหาร ทำไมสิ่งนี้ถึงเกิดขึ้น

อะตอมและโมเลกุลที่ส่งกลิ่นมีการเคลื่อนไหวแบบแอคทีฟและเป็นผลให้ถูกผสมกับอนุภาคที่อยู่ในอากาศแล้ว และกระจายตัวอย่างเท่าเทียมกันในปริมาตรของห้อง

นี่คืออาการของการแพร่กระจายของก๊าซ เป็นที่น่าสังเกตว่าการสูดอากาศเข้าไปนั้นเป็นของกระบวนการที่กำลังพิจารณา เช่นเดียวกับกลิ่นที่น่ารับประทานของบอร์ชที่ปรุงสดใหม่ในครัว

การแพร่กระจายในของแข็ง

โต๊ะในครัวที่มีดอกไม้ปูด้วยผ้าปูโต๊ะสีเหลืองสดใส เธอได้รับเฉดสีที่คล้ายกันขอบคุณความสามารถในการแพร่ผ่านของแข็ง

ขั้นตอนการทำให้ผ้าใบมีเฉดสีสม่ำเสมอในหลายขั้นตอนดังนี้

1. อนุภาคของเม็ดสีเหลืองกระจายในตลับหมึกไปทางวัสดุที่มีเส้นใย
2. จากนั้นก็ดูดซับโดยพื้นผิวด้านนอกของผ้าที่ย้อม
3. ขั้นตอนต่อไปคือการกระจายสีย้อมอีกครั้ง แต่คราวนี้เป็นเส้นใยของเว็บ
4. ในขั้นสุดท้าย ผ้าจับอนุภาคเม็ดสีจึงกลายเป็นสี

การแพร่กระจายของก๊าซในโลหะ

โดยปกติ เมื่อพูดถึงกระบวนการนี้ ให้พิจารณาปฏิสัมพันธ์ของสารในสถานะการรวมตัวเดียวกัน ตัวอย่างเช่น การแพร่กระจายในของแข็ง ของแข็ง เพื่อพิสูจน์ปรากฏการณ์นี้ จะทำการทดลองโดยใช้แผ่นโลหะสองแผ่นประกบกัน (ทองและตะกั่ว) การแทรกซึมของโมเลกุลใช้เวลานานมาก (หนึ่งมิลลิเมตรในห้าปี) กระบวนการนี้ใช้ทำเครื่องประดับที่ไม่ธรรมดา

อย่างไรก็ตาม สารประกอบในสถานะรวมที่ต่างกันก็สามารถแพร่กระจายได้เช่นกัน ตัวอย่างเช่น มีการแพร่กระจายของก๊าซในของแข็ง

ระหว่างการทดลองได้รับการพิสูจน์แล้วว่ากระบวนการดังกล่าวเกิดขึ้นในสถานะอะตอม ตามกฎแล้วคุณต้องมีอุณหภูมิและความดันเพิ่มขึ้นอย่างมาก

ตัวอย่างการแพร่กระจายของก๊าซดังกล่าวในของแข็งคือการกัดกร่อนของไฮโดรเจน ปรากฏอยู่ในสถานการณ์ที่อะตอมไฮโดรเจน (Н₂) ที่เกิดขึ้นระหว่างปฏิกิริยาเคมีบางอย่างภายใต้อิทธิพลของอุณหภูมิสูง (จาก 200 ถึง 650 องศาเซลเซียส) จะแทรกซึมระหว่างอนุภาคโครงสร้างของโลหะ

นอกจากไฮโดรเจนแล้ว การแพร่กระจายของออกซิเจนและก๊าซอื่นๆ ยังสามารถเกิดขึ้นได้ในของแข็งอีกด้วย กระบวนการนี้ มองไม่เห็นด้วยตา ทำอันตรายได้มาก เพราะโครงสร้างโลหะสามารถพังได้เพราะมัน

การแพร่กระจายของของเหลวในโลหะ

อย่างไรก็ตาม ไม่เพียงแต่โมเลกุลของก๊าซเท่านั้นที่สามารถเจาะเข้าไปในของแข็งได้ แต่ยังสามารถแทรกซึมเข้าไปในของเหลวได้อีกด้วย ในกรณีของไฮโดรเจน กระบวนการนี้มักทำให้เกิดการกัดกร่อน (เมื่อพูดถึงโลหะ)

ตัวอย่างคลาสสิกของการแพร่กระจายของของเหลวในของแข็งคือการกัดกร่อนของโลหะภายใต้อิทธิพลของน้ำ (H₂O) หรือสารละลายอิเล็กโทรไลต์ ส่วนใหญ่กระบวนการนี้จะคุ้นเคยมากกว่าภายใต้ชื่อการเกิดสนิม ซึ่งแตกต่างจากการกัดกร่อนของไฮโดรเจน ในทางปฏิบัติต้องพบเจอบ่อยกว่ามาก

เงื่อนไขการเร่งการแพร่. ค่าสัมประสิทธิ์การแพร่กระจาย

เมื่อต้องจัดการกับสารที่กระบวนการพิจารณาอาจเกิดขึ้นได้ ก็ควรเรียนรู้เกี่ยวกับสภาวะที่เกิดขึ้น

ก่อนอื่น ความเร็วของการแพร่กระจายขึ้นอยู่กับสถานะรวมของสารที่มีปฏิสัมพันธ์ ยิ่งความหนาแน่นของวัสดุที่เกิดปฏิกิริยามากเท่าใด อัตราก็จะยิ่งช้าลง

ในเรื่องนี้ การแพร่กระจายในของเหลวและก๊าซจะออกฤทธิ์มากกว่าในของแข็งเสมอ

ตัวอย่างเช่น ถ้าคริสตัลโพแทสเซียมเปอร์แมงกาเนต KMnO_{4 (}โพแทสเซียมเปอร์แมงกาเนต₎ โยนลงไปในน้ำก็จะได้สีราสเบอร์รี่ที่สวยงาม ในไม่กี่นาที อย่างไรก็ตาม หากคุณโรยคริสตัล KMnO₄ ลงบนน้ำแข็งแล้วนำไปแช่ช่องฟรีซ หลังจากนั้นสองสามชั่วโมง โพแทสเซียมเปอร์แมงกาเนตจะ ไม่สามารถระบายสี H ที่แช่แข็งได้เต็มที่ ₂O.

จากตัวอย่างที่แล้ว สามารถสรุปอีกหนึ่งข้อสรุปเกี่ยวกับเงื่อนไขการแพร่กระจายได้ นอกจากสถานะของการรวมตัวแล้ว อุณหภูมิยังส่งผลต่ออัตราการแทรกซึมของอนุภาคด้วย

ในการพิจารณาการพึ่งพากระบวนการที่กำลังพิจารณาอยู่ ควรเรียนรู้เกี่ยวกับแนวคิดเช่นสัมประสิทธิ์การแพร่ระบาด นี่คือชื่อลักษณะเชิงปริมาณของความเร็ว

ในสูตรส่วนใหญ่จะใช้อักษรละตินตัวพิมพ์ใหญ่ D และในระบบ SI จะวัดเป็นตารางเมตรต่อวินาที (m² / s) บางครั้งมีหน่วยเป็นเซนติเมตรต่อวินาที (cm² /m).

สัมประสิทธิ์การแพร่เท่ากับปริมาณของสสารที่กระจัดกระจายไปตามพื้นผิวของหน่วยตลอดหน่วยเวลา โดยที่ความแตกต่างของความหนาแน่นบนพื้นผิวทั้งสอง (อยู่ที่ระยะทางเท่ากับความยาวหน่วย) เท่ากับหนึ่ง เกณฑ์ที่กำหนด D คือคุณสมบัติของสารซึ่งกระบวนการกระเจิงของอนุภาคเกิดขึ้นและประเภทของสาร

การพึ่งพาสัมประสิทธิ์อุณหภูมิสามารถอธิบายได้โดยใช้สมการ Arrhenius: D=D_0exp(-E/TR).

ในสูตรที่พิจารณา E คือพลังงานขั้นต่ำที่จำเป็นในการเปิดใช้งานกระบวนการ T - อุณหภูมิ (วัดเป็นเคลวินไม่ใช่เซลเซียส) ร-ค่าคงที่ของแก๊สในอุดมคติ

นอกเหนือจากทั้งหมดข้างต้น อัตราการแพร่กระจายในของแข็ง ของเหลวในก๊าซได้รับผลกระทบจากความดันและการแผ่รังสี (อุปนัยหรือความถี่สูง) นอกจากนี้ มากขึ้นอยู่กับการปรากฏตัวของสารเร่งปฏิกิริยา ซึ่งมักจะทำหน้าที่เป็นตัวกระตุ้นสำหรับการเริ่มต้นของการกระจายตัวของอนุภาคที่ใช้งานอยู่

สมการการแพร่กระจาย

ปรากฏการณ์นี้เป็นรูปแบบเฉพาะของสมการอนุพันธ์ย่อย

เป้าหมายของมันคือการค้นหาการพึ่งพาความเข้มข้นของสารกับขนาดและพิกัดของอวกาศ (ที่กระจายออกไป) และเวลาด้วย ในกรณีนี้ สัมประสิทธิ์ที่กำหนดจะกำหนดลักษณะการซึมผ่านของตัวกลางสำหรับปฏิกิริยา

โดยส่วนใหญ่ สมการการแพร่จะเขียนดังนี้: ∂φ (r, t)/∂t=∇ x [D(φ, r) ∇ φ (r, t)].

ในนั้น φ (t และ r) คือความหนาแน่นของสารกระเจิงที่จุด r ที่เวลา t D (φ, r) - สัมประสิทธิ์การแพร่กระจายทั่วไปที่ความหนาแน่น φ ที่จุด r

∇ - โอเปอเรเตอร์ดิฟเฟอเรนเชียลเวกเตอร์ที่มีส่วนประกอบเป็นอนุพันธ์ย่อยในพิกัด

เมื่อค่าสัมประสิทธิ์การแพร่ขึ้นอยู่กับความหนาแน่น สมการจะไม่เป็นเชิงเส้น เมื่อไม่เป็นเชิงเส้น

เมื่อพิจารณาถึงคำจำกัดความของการแพร่กระจายและคุณสมบัติของกระบวนการนี้ในสภาพแวดล้อมที่แตกต่างกัน จะสังเกตได้ว่ามีทั้งด้านบวกและด้านลบ