Дифузия — определение, механизъм, примери и фактори, влияещи скоростта

Дифузията е процес, при който молекулите на дадено вещество се преместват от област с по-висока концентрация към област с по-ниска концентрация, докато не се достигне равномерно разпределение (равновесие). Това движение е резултат от случайните сблъсъци и термичното движение на частиците (Брауново движение) и не изисква външен енергиен източник, когато става дума за обикновената (пасивна) дифузия.

Дифузията се наблюдава във всички фази на веществата — газове, течности и дори в твърди тела (в твърдите вещества процесът е значително по-бавен). Този процес е ключов в много природни и технологични явления: обмяна на газове в белите дробове, разнасяне на миризми в помещение, смесване на разтвори, дифузия през биомембрани и др.

Примери

• Кубче захар, оставено за известно време в чаша с вода, се разтваря и захарта се разпространява чрез дифузия.
• Миризмата на амоняк се разпространява от предната част на класната стая към задната чрез дифузия на молекулите в газовата фаза.
• Когато се махне капачката на флакон с парфюм, изпаренията се разпространяват във въздуха и се усещат на разстояние.
• Хранителна боя пусната във вода се разнася, докато накрая водата придобие равномерно оцветяване.
• Миризмата на готвена храна се разнася из цялата къща чрез дифузия и въздушни течения.

Молекулите са склонни да се придвижват от места с висока концентрация към места с по-ниска концентрация посредством случайни движения. Например в белия дроб има по-висока концентрация на кислород, отколкото в кръвта, и кислородът дифундира в кръвта. По същия начин концентрацията на въглероден диоксид е по-голяма в кръвта, така че той дифундира към белите дробове. В клетъчната биология малките молекули често преминават през клетъчната мембрана чрез проста дифузия, докато по-големите или заредените молекули често изискват помощ от протеини-носители (фасилитирана дифузия) или енергоизискващи механизми (вижте активен транспорт).

Механизъм

Дифузията се дължи на постоянното, случайно движение на частиците (молекули или атоми). При наличие на концентрационен градиент — разлика в концентрацията между две съседни области — повече частици ще преминават от областта с по-висока към областта с по-ниска концентрация, докато средните потоци не се уравновесят. Това движение е статистичен ефект: макроскопичният резултат е насочено разпределяне, въпреки че отделните частици се движат случайно.

Фиксови закони и параметри: Скоростта на линейната (едномерна) дифузия често се описва чрез закона на Фик (Първи закон):

J = −D · (dC/dx), където J е потокът (количество вещество на единица площ и време), D е коефициентът на дифузия (зависи от средата и молекулата), а dC/dx е пространственият градиент на концентрацията.

Скорост на дифузия (фактори)

Скоростта, с която протича дифузията, зависи от множество фактори:

• Градиент на концентрацията — по-голяма разлика в концентрациите води до по-голям начален поток.
• Температура — при по-висока температура молекулите имат по-голяма кинетична енергия и D се увеличава, което ускорява дифузията.
• Площ на повърхността — по-голямата повърхност, през която може да преминават молекулите, увеличава общия поток.
• Разстояние за дифузия — дифузията е ефективна на къси разстояния; времето за дифузия расте приблизително квадратично с увеличаването на разстоянието.
• Размер и форма на молекулите — по-големите или сложни молекули дифундират по-бавно.
• Вискозитет и среда — в по-вискозна (по-гъста) среда дифузията е по-бавна.
• Присъствие на бариери и мембрани — пропускливостта на мембраните и наличието на канали или носители (протеини) могат да ограничават или улесняват дифузията (фасилитирана дифузия).
• Налягане — при газове по-високото налягане може да промени плътността и скоростите на дифузия.

Повърхност и обем

В малките едноклетъчни организми проста дифузия може да осигури достатъчен обмен на газове и хранителни вещества за поддържане на жизнените процеси. Това е възможно благодарение на високото съотношение на повърхността към обема, което намалява средното разстояние, през което молекулите трябва да дифундират.

При многоклетъчните организми обаче повърхността спрямо обема намалява с нарастването на размера, затова обикновената дифузия не може да обслужва бързо всички клетки. Затова такива организми са развили специализирани органи и системи за транспорт (кръвоносна система, дихателна система и др.), които намаляват разстоянията за транспорт и увеличават ефективността на обмена. Примери са белите дробове при хората и влакнестата структура на листата при растенията, които увеличават общата повърхност за газообмен.

Приложения и значение

Дифузията има широко приложение и значение в природата и техниката: транспорт на хранителни вещества и газове в организма, хроматографски методи за разделяне на смеси, обработка на материали (напр. допинг на полупроводници чрез дифузия), при приготвяне на разтвори и реакции, както и в ежедневни явления като разнасяне на аромати и оцветяване на течности.

Свързани страници

• Активен транспорт
• Клетъчна мембрана
• Съотношение повърхност/обем

Препратки

За допълнително четене и по-задълбочени математически описания вижте учебници по физична химия и биофизика, както и специализирана литература за закона на Фик и кинетиката на разпространение на вещества.