Диффузия: понятие и виды¶

Диффузия (от лат. diffusio — распространение, растекание) — процесс взаимного проникновения молекул или атомов одного вещества между молекулами или атомами другого, приводящий к самопроизвольному выравниванию их концентраций по всему занимаемому объёму. Диффузия относится к фундаментальным физическим явлениям и обусловлена хаотическим тепловым движением частиц. Впервые систематически изучена шотландским ботаником Робертом Броуном, наблюдавшим в 1827 году беспорядочное движение микроскопических частиц в жидкости, однако теоретическое описание процесса было дано лишь в 1855 году немецким физиологом Адольфом Фиком, сформулировавшим основные законы диффузии.

¶Физическая сущность процесса

В газах и жидкостях диффузия происходит вследствие постоянного перемещения молекул, которые, сталкиваясь друг с другом, меняют направление движения и постепенно распространяются из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией. В твёрдых телах диффузия возможна благодаря дефектам кристаллической решётки — вакансиям и межузельным атомам, по которым частицы совершают активационные прыжки. Скорость диффузии существенно зависит от агрегатного состояния вещества: в газах она максимальна, в жидкостях значительно ниже, в твёрдых телах — минимальна и заметно проявляется лишь при высоких температурах, близких к температуре плавления.

Количественно диффузию описывают первым законом Фика, согласно которому плотность потока частиц пропорциональна градиенту концентрации, а коэффициентом пропорциональности служит коэффициент диффузии D, измеряемый в м²/с. Второй закон Фика описывает изменение концентрации во времени и лежит в основе решения большинства практических задач диффузионной кинетики.

¶Виды диффузии

По механизму переноса частиц выделяют несколько разновидностей диффузии. Молекулярная диффузия представляет собой перенос вещества за счёт теплового движения молекул и не требует внешнего воздействия. Турбулентная диффузия наблюдается в потоках жидкости или газа и связана с перемешиванием частиц вихревыми движениями среды; её интенсивность на несколько порядков превышает молекулярную. Кнудсеновская диффузия возникает в пористых средах и капиллярах, когда длина свободного пробега молекул превышает диаметр пор, и столкновения частиц со стенками преобладают над столкновениями между собой.

Особую категорию составляет термодиффузия — перенос вещества под действием градиента температуры, а также бародиффузия, вызванная разницей давлений. В растворах электролитов наблюдается электродиффузия, при которой движение ионов ускоряется под действием электрического поля. В биологических мембранах различают простую диффузию (прохождение малых неполярных молекул непосредственно через липидный бислой) и облегчённую диффузию (перенос с участием белков-переносчиков, не требующий затрат энергии).

¶Факторы, влияющие на скорость

Скорость диффузии определяется рядом факторов. Температура оказывает экспоненциальное влияние: с её повышением коэффициент диффузии растёт согласно уравнению Аррениуса, поскольку увеличивается энергия теплового движения и вероятность преодоления энергетического барьера. Масса частиц обратно пропорциональна коэффициенту диффузии — более лёгкие молекулы диффундируют быстрее. Размер и форма молекул также существенны: крупные разветвлённые молекулы проникают сквозь среду медленнее компактных.

Концентрация диффундирующего вещества влияет на градиент, являющийся движущей силой процесса. Вязкость среды замедляет диффузию, поскольку увеличивает сопротивление движению частиц. В твёрдых телах на скорость диффузии влияют плотность дислокаций, размер зёрен поликристаллического материала и наличие примесей, которые могут как ускорять, так и замедлять перенос атомов.

¶Диффузия в биологических системах

В живых организмах диффузия играет ключевую роль в обеспечении метаболических процессов. Газообмен в лёгких человека происходит благодаря диффузии кислорода из альвеолярного воздуха в кровь и углекислого газа в обратном направлении через тонкую альвеолярно-капиллярную мембрану. Питательные вещества, растворённые в кишечнике, диффундируют через стенку кишечника в кровеносное русло. В клетках диффузия обеспечивает транспорт ионов и малых молекул между цитоплазмой и органеллами.

У низших многоклеточных организмов, не имеющих кровеносной системы, например у плоских червей и гидр, диффузия является единственным механизмом доставки кислорода и питательных веществ ко всем клеткам тела, что ограничивает их максимальные размеры. У растений диффузия участвует в транспирации, поглощении минеральных веществ корневыми волосками и движении устьиц.

¶Практическое применение

Технологические процессы, основанные на диффузии, широко распространены в промышленности. Диффузионная сварка применяется для соединения разнородных металлов и керамики в вакууме при повышенной температуре. Цементация стали — насыщение поверхностного слоя углеродом для повышения твёрдости — также основана на диффузионном переносе атомов. Аналогичным образом проводят азотирование, хромирование и алитирование металлических изделий.

В полупроводниковой электронике диффузия легирующих примесей в кремниевые пластины является одним из основных методов формирования областей с заданной проводимостью при создании интегральных микросхем. В пищевой промышленности диффузионные процессы используются при засолке, мариновании и экстракции сахара из свёклы. Мембранные технологии очистки воды, включая обратный осмос, также эксплуатируют закономерности диффузионного переноса.

¶Диффузия в повседневной жизни

С диффузией человек сталкивается постоянно: распространение запаха духов в комнате, растворение сахара в чае, заваривание чайного пакетика в кипятке — всё это примеры диффузионных процессов. Приготовление пищи неразрывно связано с диффузией ароматических веществ и соли в продукты. Хранение продуктов в холодильнике замедляет диффузионные процессы, что способствует сохранению свежести. Процесс старения материалов, включая выцветание тканей и окисление металлов, также частично определяется диффузионной подвижностью атомов и молекул.