Диффузия

Диффузией называют самопроизвольное распространение вещества из области с большей концентрацией в область с меньшей концентрацией. Различают следующие виды диффузии: молекулярную, ионную и коллоидных частиц.

Диффузия высокодисперсных коллоидных частиц схематически показана на рис. В нижней части концентрация частиц больше, чем в верхней, т.е. v ₁> v ₂*. Диффузия идет из области с большей концентрации в область с меньшей, т.е. снизу вверх. Диффузия характеризуется определенной скоростью перемещения вещества через поперечное сечение В, которая равна Δm/Δt.

На расстоянии Δх разность концентраций составит v ₂– v ₁, так как v ₂< v ₁, то эта величина отрицательна. Изменение концентрации, отнесенное к единице расстояния, называют градиентом концентрации. Градиент концентрации равен (v ₂– v ₁)/Δx, или в дифференциальной форме, Δ v /Δx.

Скорость перемещения вещества пропорциональна градиенту концентрации и площади В, через которую происходит движение диффузионного потока, т.е.

Скорость диффузии (dm/dt) величина положительная, а градиент концентрации (d v /dx) — отрицателен; по этой причине перед правой частью уравнения ставится знак минус.

Коэффициент пропорциональности D называют коэффициентом диффузии.

Значения коэффициента диффузии для различных ее видов приведены ниже:

Коллоидные частицы характеризуются минимальным коэффициентом диффузии. Это означает, что диффузия коллоидных частиц более затруднена по сравнению с молекулярной и ионной.

Количественно диффузия определяется коэффициентом диффузии, который связан со средним сдвигом, следующим соотношением:

Диффузия высокодисперсных частиц совершается беспорядочно с большей вероятностью в сторону меньшей концентрации. Время, определяемое соотношением, характеризует продолжительность диффузии. Чем меньше коэффициент диффузии, тем продолжительнее процесс диффузии.

Коэффициент диффузии можно представить в виде

где k — константа Больцмана, равная R/N_A.

Если коэффициент диффузии известен, то можно определить размер частиц:

Как следует из формулы, чем больше размер частиц, тем меньше коэффициент диффузии и менее интенсивна сама диффузия.

Диффузия в полной мере проявляется у высокодисперсных систем, ослаблена у среднедисперсных и практически отсутствует у грубодисперсных систем.

Коэффициент диффузии зависит и от формы частиц, что не учитывается в уравнении. Поэтому при помощи формулы можно определить размер только коллоидных шарообразных частиц или приведенный к шарообразному размеру частиц неправильной формы.

Таким образом, диффузия непосредственно связана с броуновским движением.