Mis on difusioon? Molekulide liikumine, näited ja levimiskiirus
Mis on difusioon? Õpi, kuidas molekulid liiguvad kontsentratsioonigradiendi järgi — näited, levimiskiirus ja mõjutajad (temperatuur, pindala) selgitustega igapäevaelust.
Diffusioon on protsess, mille käigus aine molekulid liiguvad suure kontsentratsiooniga piirkonnast (kus on palju molekule) madala kontsentratsiooniga piirkonda (kus on vähem molekule), kuni saavutatakse tasakaal — molekulid jaotuvad ühtlasemalt. Diffusioon põhineb osakeste juhuslikul soojuslikul liikumisel (Brown’i liikumine) ja toimub gaasides, vedelikes ning ka tahkistes (tahkistes on see tavaliselt palju aeglasem).
Kuidas difusioon toimib
Diffusiooni ajendiks on kontsentratsioonigradient: kui ühes kohas on aine kontsentratsioon suurem kui teises, on suurem tõenäosus, et molekulid juhuslikult liiguvad madalama kontsentratsiooniga piirkonda. See liikumine ei eelda välisest energiast tulenevat tööd — diffusioon on passiivne protsess, sest energia liikumiseks ei ole vaja, kui liigutakse kontsentratsioonigradiendi suunas alla.
Diffusioon võib toimuda ka läbi membraanide: väikesed molekulid sageli difundeeruvad läbi raku- või lipiidmembraani, kuid suuremad või laenguga molekulid võivad läbimiseks vajada spetsiifilisi kanaleid või energiat (vt aktiivne transport).
Näited
- Suhkrutükk jäetakse mõneks ajaks veeklaasi — suhkur lahustub ja magusus levib vees.
- Ammoniaagilõhn levib klassiruumi esiosast ruumi tagumisse ossa.
- Parfüümiaurud tõusevad pudelist, kui kork eemaldatakse.
- Keeduklaasi peale tilkunud toiduvärv levib laiali.
- Toidu lõhn levib kogu majas.
Bioloogias näited: Molekulid kipuvad liikuma kõrge kontsentratsiooniga kohtadest madala kontsentratsiooniga kohtadesse lihtsalt juhuslikult. Näiteks on kopsus rohkem hapnikku kui veres, nii et hapniku molekulid kipuvad liikuma verre. Samal ajal on veres sageli rohkem süsinikdioksiidi molekule kui kopsudes, nii et süsinikdioksiidi molekulid liiguvad kopsudesse. See on oluline rakubioloogias, kus väikesed molekulid difundeeruvad läbi rakumembraani, kuid suuremad molekulid vajavad aktiivset transporti.
Levikukiirus — mis mõjutab difusiooni kiirust
Difusiooni kiirust mõjutavad mitmed tegurid:
- Kontsentratsioonigradient — suur erinevus kontsentratsioonides kiirendab difusiooni.
- Temperatuur — kõrgem temperatuur suurendab molekulide kineetilist energiat ja kiirendab difusiooni.
- Pindala — suurem pindala (näiteks õhuke membraan või lehe suur pind) võimaldab kiiremat ainevahetust.
- Difusiooni kaugus — mida lühem on tee, mida osakesed peavad läbima, seda kiiremini saavutatakse tasakaal. Difusioon on efektiivne ainult lühikeste vahemaade puhul.
- Keskkonna viskoossus ja faas — vedelikes ja tahketes ainetes on molekulide liikumine piiratum võrreldes gaasidega; kõrgem viskoossus aeglustab difusiooni.
- Molekulide suurus ja kuju — väiksemad osakesed difundeeruvad kiiremini kui suured.
- Permeaablus ja takistused — membraanid, poorid või lahustumisprobleemid võivad difusiooni vähendada.
Füüsikas kirjeldatakse sageli difusioonikiirust Difusioonikonstandi (D) abil ja Fick’i seadustega. Lihtsustatud kujul esimeses Fick’i seaduses on voog J proportsionaalne kontsentratsiooni gradientiga: J = −D · (dC/dx). Kus D (mõõtühikus m2/s) nimetatakse difusioonikonstandiks — gaasides on see tüüpiliselt ~10−5 m2/s, vedelikes ~10−9…10−10 m2/s ja tahketes ainetes sageli palju väiksem.
Pindala, maht ja elusorganismide suurus
Väikeste ainuraksete organismide puhul võib lihtne difusioon vahetada molekule piisavalt kiiresti, et neid elus hoida. Suur pindala ja ruumala suhe aitab — suure pindala suhtes väiksem ruumala tähtsustab difusiooni tõhusust.
Mitmerakuliste organismide puhul ei piisa aga lihtsast difusioonist, sest aineid tuleb transportida pikemate vahemaade taha. Sellised organismid on arenenud välja spetsiaalsete süsteemide ja struktuuridega (näiteks vereringe ja hingamiselundid), et kiirendada ainete liikumist. Näiteks inimestel aitavad kopsud ja vereringe hapniku ja süsinikdioksiidi vahetust; taimedel aitavad seda lehed ja juhtkuded.
Kokkuvõte
Diffusioon on fundamentaalne füüsikaline ja bioloogiline protsess, kus ained liiguvad kõrgema kontsentratsiooni piirkonnast madalama poole, kuni saavutatakse tasakaal. See on passiivne ja sõltub mitmest tegurist — kontsentratsioonigradiendist, temperatuurist, pindalast, distantsist, molekuli omadustest ja keskkonnast. Mõistmine, kuidas difusioon toimib ja mida see mõjutab, on oluline nii keemias, füüsikas kui ka bioloogias.
Diagramm difusiooni toimumise kohta. Esimene diagramm näitab osakesi vedelikus. Teine näitab sama vedelikku mõned sekundid hiljem, kui osakesed on laiali valgunud.
Seotud leheküljed
Küsimused ja vastused
K: Mis on difusioon?
V: Diffusioon on protsess, mille käigus aine molekulid liiguvad kõrge kontsentratsiooniga piirkonnast madala kontsentratsiooniga piirkonda, kuni saavutatakse tasakaal.
K: Millistes materjalides toimub tavaliselt difusioon?
V: Diffusioon toimub tavaliselt segudes gaasides, vedelikes ja mõnikord kolloidides.
K: Kuidas saame difusiooni jälgida?
V: On võimalik näha difusiooni toimumist, kui kaks vedelikku segatakse läbipaistvas anumas.
K: Mida kirjeldab difusioon?
V: Diffusioon kirjeldab osakeste pidevat liikumist kõikides vedelikes, gaasides ja kolloidides. Need osakesed liiguvad kõikides suundades üksteise vastu põrkudes.
K: Kas osakeste liikumine difusiooni käigus on mingis kindlas suunas?
V: Ei, osakesed liiguvad juhuslikult ja neil ei ole difusiooni ajal mingit kindlat suunda.
K: Kas osakeste liikumine peatub pärast tasakaalu saavutamist?
V: Jah, pärast tasakaalu saavutamist osakeste liikumine peatub, sest nad on ühtlaselt kogu materjalis laiali.
K: Kas sellest protsessist on erandeid?
V: Jah, mõned materjalid võivad oma struktuuri või koostise tõttu vajada molekulide difusiooniks täiendavat energiat või survet.
Otsige