扩散速率

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介绍

• 扩散速率表示扩散过程进行的速度。

• 粒子从高浓度区域到低浓度区域的净迁移被称为扩散，这是一种物理现象。扩散物质可能是固体、液体或气体。

• 与此类似，扩散发生的介质中也可能存在三种物理状态中的任何一种。氨气在空气中的运动就是一个例子。就像如果一个液氮罐有一个小泄漏，氮气会迅速扩散到大气中一样。

什么是扩散？

扩散是一种现象，导致物质分子从高浓度区域到低浓度区域移动。当分子随机移动时，就会发生这种情况。下图显示了液体和气体粒子如何从高浓度迁移到低浓度。

图：扩散

扩散的类型

扩散有两种类型。下面将解释它们 -

简单扩散

• 简单扩散只是分子沿着其浓度梯度迁移，没有其他分子直接参与。它可能涉及粒子穿过膜的运动或物质在介质中的分散。

• 大多数生物系统中，扩散发生在基于脂质双层的半透膜上，这是简单扩散的一个例子。特定的分子可以通过膜上的孔和洞。

促进扩散

• 相反，促进扩散顾名思义，需要存在第二个分子才能发生扩散。大分子或极性分子必须通过促进扩散穿过疏水性脂质双层。

• 所有细胞的生化功能都依赖于促进扩散，因为在众多亚细胞区室之间存在着持续的联系。

• 例如，与大小和电荷几乎相同的钠离子相比，但对转运钾离子的通道蛋白的亲和力要高得多。

影响扩散的因素

以下任何一个因素都可以改变扩散的速率和程度。

温度

• 在每个系统中，分子都以一定量的动能移动。它可能看起来是随机的，并且通常不以任何特定方式定向。当这些分子相互碰撞时，它们会改变其运动方向以及其动量和速度。

• 随着温度升高，系统中所有粒子的动能都会增加。因此，碰撞和溶剂和溶质分子移动的速度都会增加。

相互作用面积

• 如果将干冰分成几块，与大气相互作用的面积会迅速增加。在干冰内部，只有较少的分子与其他二氧化碳粒子接触。因此，气体扩散到空气中的速度也随之增加。

• 例如，当碘在热燃烧器上升华时，会开始形成紫色蒸汽并与空气混合。当在小坩埚中进行升华时，烟雾会缓慢地向容器的开口移动，然后迅速消散。即使它们仅限于坩埚有限的表面积，扩散速率仍然很低。

浓度梯度的陡度

如果介质中溶质的浓度非常低，则分子从中心区域扩散出去的可能性更高。这是因为，在很大程度上，驱动扩散的是分子离开高饱和区域的可能性。

粒子大小

• 在任何给定温度下，较小的粒子比较大尺寸的分子扩散得更快。这与分子的质量和表面积有关。

• 由于较小的表面积，较小、较轻的粒子比较大、较重的分子扩散得更快。

• 例如，二氧化碳和氧气都比碘气体扩散得略快，但两种气体都比碘气体移动得更快。

扩散的例子

• 无需搅拌，糖就会均匀溶解并使水变甜。

• 香燃烧时，烟雾会释放到空气中，并充满空间。

• 将沸水加入干面条中时，水会扩散，使面条重新水化，并使其外观更饱满、更饱和。

扩散的原因

扩散是一种物理和自然过程，无需摇晃或搅拌液体即可发生。扩散发生在气体和液体中，因为随机的分子运动是可能的。分子相互碰撞并向不同方向移动。

扩散的重要性

各种生命过程都包含扩散这一重要机制。如前所述，它是粒子、离子、分子、溶液等的净运动。扩散对于所有生物体中分子的运动至关重要，因为它们会被细胞代谢。

以下是扩散重要的原因 -

• 作为呼吸过程的一部分，这种技术有助于通过细胞膜将二氧化碳气体释放到血液中。

• 扩散也发生在植物细胞中。所有绿色植物都通过根毛细胞从地球上吸收水分。

• 扩散导致神经元之间离子转移，从而产生电荷。

结论

• 扩散是一种物理现象，具有广泛的应用，导致粒子或分子从高浓度梯度到低浓度梯度的转移。

• 气味的传播、固体溶解在液体中以及血液流动，所有这些都遵循扩散原理。因素如温度、相互作用面积和粒度以及浓度梯度决定了扩散速率。

常见问题

1. 什么是渗透？

它涉及溶剂分子通过半透膜从低浓度区域到高浓度区域的迁移。由于水是所有生物体的溶剂，因此生物学家将渗透理解为水通过具有选择性渗透性的膜的扩散。例如，植物利用渗透作用从根部提取水分和矿物质。

2. 透析是一种扩散过程吗？

是的，它是溶质通过具有特定渗透性的膜的运动。如果膜只允许有限数量的离子​​和分子通过，而阻止其他物质通过，则称该膜为选择性渗透膜。

3. 扩散一词是什么意思？

英语单词“diffusion”源自拉丁语“diffundere”，意为“散布”。

4. 为什么气体的扩散速度比液体快？

因为气体粒子以非常快的速度向各个方向移动，而与气体粒子相比，液体粒子移动缓慢，所以气体中的扩散速度比液体快。

5. 格雷厄姆定律是什么？

格雷厄姆定律指出，给定气体的摩尔质量的平方根与其气体的渗透或扩散速率成反比。