擴散速率

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介紹

• 擴散速率表示擴散過程進行的速度。

• 粒子從高濃度區域到低濃度區域的淨遷移被稱為擴散，這是一種物理現象。擴散物質可能是固體、液體或氣體。

• 與此類似，擴散發生的介質中也可能存在三種物理狀態中的任何一種。氨氣在空氣中的運動就是一個例子。就像如果一個液氮罐有一個小洩漏，氮氣會迅速擴散到大氣中一樣。

什麼是擴散？

擴散是一種現象，導致物質分子從高濃度區域到低濃度區域移動。當分子隨機移動時，就會發生這種情況。下圖顯示了液體和氣體粒子如何從高濃度遷移到低濃度。

圖：擴散

擴散的型別

擴散有兩種型別。下面將解釋它們 -

簡單擴散

• 簡單擴散只是分子沿著其濃度梯度遷移，沒有其他分子直接參與。它可能涉及粒子穿過膜的運動或物質在介質中的分散。

• 大多數生物系統中，擴散發生在基於脂質雙層的半透膜上，這是簡單擴散的一個例子。特定的分子可以透過膜上的孔和洞。

促進擴散

• 相反，促進擴散顧名思義，需要存在第二個分子才能發生擴散。大分子或極性分子必須透過促進擴散穿過疏水性脂質雙層。

• 所有細胞的生化功能都依賴於促進擴散，因為在眾多亞細胞區室之間存在著持續的聯絡。

• 例如，與大小和電荷幾乎相同的鈉離子相比，但對轉運鉀離子的通道蛋白的親和力要高得多。

影響擴散的因素

以下任何一個因素都可以改變擴散的速率和程度。

溫度

• 在每個系統中，分子都以一定量的動能移動。它可能看起來是隨機的，並且通常不以任何特定方式定向。當這些分子相互碰撞時，它們會改變其運動方向以及其動量和速度。

• 隨著溫度升高，系統中所有粒子的動能都會增加。因此，碰撞和溶劑和溶質分子移動的速度都會增加。

相互作用面積

• 如果將乾冰分成幾塊，與大氣相互作用的面積會迅速增加。在乾冰內部，只有較少的分子與其他二氧化碳粒子接觸。因此，氣體擴散到空氣中的速度也隨之增加。

• 例如，當碘在熱燃燒器上升華時，會開始形成紫色蒸汽並與空氣混合。當在小坩堝中進行昇華時，煙霧會緩慢地向容器的開口移動，然後迅速消散。即使它們僅限於坩堝有限的表面積，擴散速率仍然很低。

濃度梯度的陡度

如果介質中溶質的濃度非常低，則分子從中心區域擴散出去的可能性更高。這是因為，在很大程度上，驅動擴散的是分子離開高飽和區域的可能性。

粒子大小

• 在任何給定溫度下，較小的粒子比較大尺寸的分子擴散得更快。這與分子的質量和表面積有關。

• 由於較小的表面積，較小、較輕的粒子比較大、較重的分子擴散得更快。

• 例如，二氧化碳和氧氣都比碘氣體擴散得略快，但兩種氣體都比碘氣體移動得更快。

擴散的例子

• 無需攪拌，糖就會均勻溶解並使水變甜。

• 香燃燒時，煙霧會釋放到空氣中，並充滿空間。

• 將沸水加入乾麵條中時，水會擴散，使麵條重新水化，並使其外觀更飽滿、更飽和。

擴散的原因

擴散是一種物理和自然過程，無需搖晃或攪拌液體即可發生。擴散發生在氣體和液體中，因為隨機的分子運動是可能的。分子相互碰撞並向不同方向移動。

擴散的重要性

各種生命過程都包含擴散這一重要機制。如前所述，它是粒子、離子、分子、溶液等的淨運動。擴散對於所有生物體中分子的運動至關重要，因為它們會被細胞代謝。

以下是擴散重要的原因 -

• 作為呼吸過程的一部分，這種技術有助於透過細胞膜將二氧化碳氣體釋放到血液中。

• 擴散也發生在植物細胞中。所有綠色植物都透過根毛細胞從地球上吸收水分。

• 擴散導致神經元之間離子轉移，從而產生電荷。

結論

• 擴散是一種物理現象，具有廣泛的應用，導致粒子或分子從高濃度梯度到低濃度梯度的轉移。

• 氣味的傳播、固體溶解在液體中以及血液流動，所有這些都遵循擴散原理。因素如溫度、相互作用面積和粒度以及濃度梯度決定了擴散速率。

常見問題

1. 什麼是滲透？

它涉及溶劑分子透過半透膜從低濃度區域到高濃度區域的遷移。由於水是所有生物體的溶劑，因此生物學家將滲透理解為水透過具有選擇性滲透性的膜的擴散。例如，植物利用滲透作用從根部提取水分和礦物質。

2. 透析是一種擴散過程嗎？

是的，它是溶質透過具有特定滲透性的膜的運動。如果膜只允許有限數量的離子​​和分子透過，而阻止其他物質透過，則稱該膜為選擇性滲透膜。

3. 擴散一詞是什麼意思？

英語單詞“diffusion”源自拉丁語“diffundere”，意為“散佈”。

4. 為什麼氣體的擴散速度比液體快？

因為氣體粒子以非常快的速度向各個方向移動，而與氣體粒子相比，液體粒子移動緩慢，所以氣體中的擴散速度比液體快。

5. 格雷厄姆定律是什麼？

格雷厄姆定律指出，給定氣體的摩爾質量的平方根與其氣體的滲透或擴散速率成反比。