Contenu
- TL; DR (Trop long; n'a pas lu)
- La loi de diffusion de Graham
- Les lois de la diffusion de Fick
- Autres faits intéressants sur les taux de diffusion
La diffusion a lieu à cause du mouvement des particules. Les particules en mouvement aléatoire, comme les molécules de gaz, se heurtent les unes aux autres, suivant le mouvement brownien, jusqu'à ce qu'elles se dispersent uniformément dans une zone donnée. La diffusion est alors le flux de molécules d'une zone de forte concentration à celle de faible concentration, jusqu'à ce que l'équilibre soit atteint. En bref, la diffusion décrit un gaz, un liquide ou un solide se dispersant dans un espace particulier ou dans une seconde substance. Les exemples de diffusion comprennent un arôme de parfum se répandant dans une pièce ou une goutte de colorant alimentaire vert se dispersant dans une tasse d'eau. Il existe plusieurs façons de calculer les taux de diffusion.
TL; DR (Trop long; n'a pas lu)
Rappelez-vous que le terme «taux» fait référence au changement d'une quantité dans le temps.
La loi de diffusion de Graham
Au début du XIXe siècle, le chimiste écossais Thomas Graham (1805-1869) découvrit la relation quantitative qui porte désormais son nom. La loi de Graham stipule que le taux de diffusion de deux substances gazeuses est inversement proportionnel à la racine carrée de leurs masses molaires. Cette relation a été établie étant donné que tous les gaz trouvés à la même température présentent la même énergie cinétique moyenne, telle que définie dans la théorie cinétique des gaz. En d’autres termes, la loi de Graham est une conséquence directe du fait que les molécules gazeuses ont la même énergie cinétique moyenne quand elles sont à la même température. Selon la loi de Graham, la diffusion décrit le mélange de gaz et le taux de diffusion est le taux de ce mélange. Notez que la loi de diffusion de Graham est également appelée loi d’épanchement de Graham, car l’épanchement est un cas particulier de diffusion. L'effusion est le phénomène lorsque des molécules gazeuses s'échappent par le biais d'un trou minuscule dans un vide, un espace ou une chambre sous vide. Le taux d'épanchement mesure la vitesse à laquelle ce gaz est transféré dans ce vide, cet espace ou cette chambre sous vide. Ainsi, une façon de calculer le taux de diffusion ou le taux d’épanchement dans un problème de mots consiste à effectuer des calculs basés sur la loi de Graham, qui exprime la relation entre les masses molaires de gaz et leurs taux de diffusion ou d’épanchement.
Les lois de la diffusion de Fick
Au milieu du XIXe siècle, Adolf Fick (1829-1901), médecin et physiologiste d'origine allemande, formule un ensemble de lois régissant le comportement d'un gaz diffusant à travers une membrane fluide. La première loi de diffusion de Fick stipule que le flux, ou le mouvement net de particules dans une zone spécifique au cours d’une période donnée, est directement proportionnel à la pente du gradient. La première loi de Fick peut s’écrire comme suit:
flux = -D (dC dx)
où (D) désigne le coefficient de diffusion et (dC / dx) le gradient (et une dérivée en calcul). La première loi de Fick stipule donc fondamentalement que le mouvement aléatoire de particules du mouvement brownien entraîne la dérive ou la dispersion de particules des régions les plus concentrées aux plus faibles concentrations - et que le taux de dérive, ou taux de diffusion, est proportionnel au gradient de densité, mais sens opposé à ce gradient (qui représente le signe négatif devant la constante de diffusion). Alors que First Law of Diffusion de Fick décrit l’importance du flux, c’est bien la seconde loi de Diffick de Fick qui décrit plus en détail le taux de diffusion et prend la forme d’une équation différentielle partielle. La seconde loi de Fick est décrite par la formule:
T = (1 ÷ )X2
ce qui signifie que le temps de diffusion augmente avec le carré de la distance, x. Les première et deuxième lois de diffusion de Fick fournissent essentiellement des informations sur la manière dont les gradients de concentration affectent les taux de diffusion. Il est intéressant de noter que l’Université de Washington a conçu une lettre comme mnémonique pour aider à se rappeler comment les équations de Fick aident à calculer le taux de diffusion: «Fick dit à quelle vitesse une molécule se diffusera. Delta P fois A fois k sur D est la loi à utiliser…. La différence de pression, la surface et la constante k sont multipliées ensemble. Ils sont divisés par barrière de diffusion pour déterminer le taux de diffusion exact. "
Autres faits intéressants sur les taux de diffusion
La diffusion peut se produire dans les solides, les liquides ou les gaz. Bien entendu, la diffusion est la plus rapide dans les gaz et la plus lente dans les solides. La vitesse de diffusion peut également être affectée par plusieurs facteurs. L'augmentation de la température, par exemple, accélère les taux de diffusion. De même, la particule en cours de diffusion et le matériau dans lequel elle se diffuse peuvent influencer les vitesses de diffusion. Notez, par exemple, que les molécules polaires diffusent plus rapidement dans les milieux polaires, comme l’eau, alors que les molécules non polaires sont non miscibles et ont donc beaucoup de mal à se diffuser dans l’eau. La densité du matériau est un autre facteur qui influe sur les taux de diffusion. Naturellement, les gaz plus lourds diffusent beaucoup plus lentement que leurs homologues plus légers. De plus, la taille de la zone d’interaction peut avoir un impact sur les taux de diffusion, comme en témoigne l’arôme de la cuisson à la maison qui se disperse dans une petite zone plus rapidement que dans une zone plus vaste.
De plus, si la diffusion a lieu contre un gradient de concentration, il doit exister une forme d'énergie facilitant la diffusion. Considérez comment l'eau, le dioxyde de carbone et l'oxygène peuvent facilement traverser les membranes cellulaires par diffusion passive (ou osmose, dans le cas de l'eau). Mais si une grande molécule soluble non lipidique doit traverser la membrane cellulaire, un transport actif est nécessaire, c’est là que la molécule à haute énergie de l’adénosine triphosphate (ATP) intervient pour faciliter la diffusion à travers les membranes cellulaires.