Диффузия в растворах

Температуры замерзания и кипения разбавленных растворов

Осмос и осмотическое давление

Диффузия в растворах

Как известно, в смесях газов и в растворах частницы равномерно распределяются по всему объему. Например (рис. 1. СЛ. 1(0)),

а б в

Рис. 1. Объяснение процесса диффузии

если на концентрированный раствор сахара осторожно налить слой чистой воды, то молекулы сахара, совершая хаотическое тепловое движение, постепенно равномерно распределяются по всему объему жидкости. Одновременно и молекулы воды проникают в раствор сахара, разбавляя его. Оба эти процесса идут самопроизвольно и до тех пор, пока не произойдет полного выравнивания концентрации сахара во всем объеме раствора. Самопроизвольный процесс переноса вещества, в результате которого устанавливается равновесное распределение концентраций вследствие беспорядочного теплового движения молекул, атомов и ионов в газах, жидкостях или твердых телах, называется диффузией. Диффузия имеет место и при смешивании растворов различных концентраций, а также в твердых телах и газах. Причем, скорость ее в газах наибольшая, а в твердых телах наименьшая.

Как правило, диффузия частиц совершается из области большей их концентрации в область меньшей концентрации, т, е. количество частиц растворенного вещества, проходящих в единицу времени в сторону меньшей концентрации, Больше, чем в обратном направлении.

Диффузия может быть выражена количественно рис. 2. СЛ. 1(1).

Рис.2.

Представим себе, что на некотором расстоянии х₁ от дна сосуда концентрация растворенного вещества (например, сахара) равна С₁, а на расстоянии х₂. эта концентрация равна С₂. По условию С₁ больше С₂, а х₂ больше х_{1 ,} т.е. раствор является более концентрированным у дна сосуда. В на­шем случае градиент концентрации, т. е. СЛ. 2(0) изменение концентрации, приходящееся на единицу расстояния, будет равно:

Знак минус в этом уравнении вызван тем, что С₁ > С₂.

СЛ. 2(1) На основании закона Фика количество растворенного вещества т, которое проходит за время t через воображаемую площадь поперечного сечения сосуда S, находящуюся посередине между концентрациями С₁ и С₂, будет равно:

где D — коэффициент диффузии, численно равный количеству вещест­ва, диффундирующего за единицу времени через 1 см² поверхности раз­дела при градиенте концентрации, равном 1. СЛ. 3(0) Для коэффициента диффу­зии Эйнштейн вывел следующее уравнение:

где R — универсальная газовая постоянная, Т — абсолютная тем­пература, N₀ — число Авогадро, h — вязкость растворителя, r — радиус диффундирующих частиц.

СЛ. 3(1) Объединяя уравнения (*) и (**), получим:

где выражение m/t — скорость диффузии, т. е. количество растворен­ного вещества т, проходящего в единицу времени t через площадь се­чения S.

Из уравнения (***) видно, что скорость диффузии возрастает при повышении температуры и градиента концентрации и уменьшается при увеличении вязкости среды и радиуса диффундирующих частиц. Отсюда следует, что вещества с большим молекулярным весом будут иметь сравнительно малые коэффициенты диффузии.

Дата добавления: 2014-01-07