Определение диффузии
Диффузия – это физический процесс, который относится к чистому перемещению молекул из области высокой концентрации в область с более низкой концентрацией. Материал, который диффундирует, может быть твердым, жидким или газообразным. Точно так же среда, в которой происходит диффузия, также может находиться в одном из трех физических состояний.
Одной из основных характеристик диффузии является движение молекул вдоль градиент концентрации, Хотя это может быть облегчено другими молекулами, в нем напрямую не участвуют молекулы высоких энергий, такие как аденозинтрифосфат (АТФ) или гуанозинтрифосфат (ГТФ).
Скорость диффузии зависит от характера взаимодействия среды и материала. Например, газ очень быстро диффундирует в другой газ. Примером этого является то, как вредный запах газообразного аммиака распространяется в воздухе. Аналогичным образом, если емкость с жидким азотом протекает незначительно, выделяющийся азот быстро диффундирует в атмосферу. Тот же газ будет диффундировать немного медленнее в жидкости, такой как вода, и медленнее в твердом.
Аналогично, две смешиваемые жидкости также будут диффундировать друг в друга, образуя однородную решение, Например, когда вода смешивается с глицерин Со временем две жидкости диффундируют в радиальном направлении друг к другу. Это может даже наблюдаться визуально путем добавления красителей разного цвета к каждой из жидкостей. Однако это же явление не наблюдается, когда смешиваются несмешивающиеся жидкости, такие как бензин и вода. Диффузия происходит медленно и только по небольшой поверхности взаимодействия двух жидкостей.
Примеры диффузии
Диффузия является важной частью многих биологических и химических процессов. В биологических системах диффузия происходит в любой момент, через мембраны в каждом клетка а также через тело.
Например, кислород находится в более высокой концентрации внутри артерий и артериол по сравнению с уровнями кислорода в активно дышащих клетках. Тем временем кровь течет в капилляры в мускул или печень например, существует только один слой клеток, отделяющий этот кислород от гепатоцитов или скелетная мышца волокна. Через процесс пассивной диффузии, без активного участия каких-либо других молекула кислород проходит через капиллярную мембрану и проникает в клетки.
Клетки используют кислород в митохондрии за аэробного дыхания, который генерирует углекислый газ в качестве побочного продукта. Еще раз, когда концентрация этого газа увеличивается внутри клетки, он диффундирует наружу в направлении капилляров, где сила текущей крови удаляет избыток газа из ткань область. Таким образом, капилляры остаются с низкой концентрацией углекислого газа, что позволяет постоянное движение молекулы от клеток.
Этот пример также показывает, что диффузия любого одного материала не зависит от диффузии любых других веществ. Когда кислород движется к тканям из капилляров, углекислый газ попадает в кровоток.
В химических процессах диффузия часто является центральным принципом, определяющим многие реакции. В качестве простого примера, несколько кристаллов сахара в стакане воды будут медленно растворяться со временем. Это происходит из-за чистого движения молекул сахара в водной среде. Даже в крупных промышленных реакциях, когда две жидкости смешиваются вместе, диффузия объединяет реагенты и позволяет реакции протекать гладко. Например, одним из способов синтеза полиэфира является смешивание подходящей органической кислоты и спирта в их жидкой форме. Реакция протекает, когда два реагента диффундируют друг к другу и подвергаются химической реакции с образованием сложных эфиров.
Факторы, влияющие на диффузию
На диффузию влияют температура, площадь взаимодействия, крутизна градиента концентрации и размер частиц. Каждый из этих факторов, независимо и совместно, может изменять скорость и степень распространения.
температура
В любой системе молекулы движутся с определенным количеством кинетической энергии. Обычно это не направлено каким-либо особым образом и может показаться случайным. Когда эти молекулы сталкиваются друг с другом, происходит изменение направления движения, а также изменения импульса и скорости. Например, если блок из сухого льда (двуокись углерода в твердой форме) помещен в коробку, молекулы углекислого газа в центре блока в основном сталкиваются друг с другом и задерживаются в твердой массе. Однако для молекул на периферии быстро движущиеся молекулы в воздухе также влияют на их движение, позволяя им диффундировать в воздух. Это создает градиент концентрации, при котором концентрация углекислого газа постепенно уменьшается по мере удаления от комка сухого льда.
С увеличением температуры кинетическая энергия всех частиц в системе увеличивается. Это увеличивает скорость, с которой растворенное вещество а также растворитель молекулы движутся, и увеличивает столкновения. Это означает, что сухой лед (или даже обычный лед) будет испаряться быстрее в более теплый день просто потому, что каждая молекула движется с большей энергией и с большей вероятностью быстро выйдет за пределы твердого состояния.
Область взаимодействия
Чтобы расширить приведенный выше пример, если блок сухого льда разбивается на несколько частей, площадь, которая взаимодействует с атмосферой, немедленно увеличивается. Количество молекул, которые только сталкиваются с другими частицами углекислого газа в сухом льде, уменьшается. Следовательно, скорость диффузии газа в воздух также увеличивается.
Это свойство можно наблюдать даже лучше, если газ имеет запах или цвет. Например, когда йод сублимируется над горячей плитой, начинают появляться фиолетовые пары и смешиваться с воздухом. Если сублимацию проводят в узком тигле, пары медленно диффундируют к устью контейнера, а затем быстро исчезают. Хотя они ограничены меньшей площадью поверхности внутри тигля, скорость диффузии остается низкой.
Это также видно, когда два жидких реагента смешаны друг с другом. Перемешивание увеличивает площадь взаимодействия между двумя химическими веществами и позволяет этим молекулам быстрее диффундировать друг к другу. Реакция идет к завершению с более высокой скоростью. Аналогичным образом, любое растворенное вещество, которое разбивается на мелкие кусочки и смешивается с растворителем, быстро растворяется, что является еще одним показателем того, что молекулы лучше диффундируют при увеличении площади взаимодействия.
Крутизна градиента концентрации
Поскольку диффузия обусловлена, главным образом, вероятностью того, что молекулы отойдут от области с более высоким насыщением, из этого сразу следует, что когда среда (или растворитель) имеет очень низкую концентрацию растворенного вещества, вероятность диффузии молекулы от центральной области выше. Например, в примере с диффузией газообразного йода, если тигель помещают в другой закрытый контейнер и кристаллы йода нагревают в течение продолжительного периода времени, скорость, с которой фиолетовый газ, по-видимому, «исчезает» в устье тигель уменьшится. Это очевидное замедление связано с тем, что со временем в более крупном контейнере начинает появляться достаточное количество йодного газа, и часть его будет перемещаться «назад» к тиглю. Даже при том, что это случайное ненаправленное движение с большим объемом, оно может создать сценарий, в котором нет чистого движения газа из контейнера.
Размер частицы
При любой данной температуре диффузия частицы меньшего размера будет более быстрой, чем диффузия молекулы большего размера. Это связано как с массой молекулы, так и с площадью ее поверхности. Более тяжелая молекула с большей площадью поверхности будет диффундировать медленно, в то время как более мелкие, более легкие частицы будут диффундировать быстрее. Например, в то время как газообразный кислород будет диффундировать немного быстрее, чем диоксид углерода, оба они будут двигаться быстрее, чем газообразный йод.
Функции диффузии
Диффузия в организме человека необходима для поглощения усваиваемых питательных веществ, газообмена, распространения нервных импульсов, движения гормонов и других метаболитов к их цели. орган и почти для каждого события в эмбриональном развитии.
Типы диффузии
Диффузия может быть простая диффузия и быть облегчен другой молекулой
Простая диффузия
Простая диффузия – это просто движение молекул вдоль градиента их концентрации без непосредственного участия каких-либо других молекул. Это может включать в себя либо распространение материала через среду, либо перенос частицы через мембрану. Все приведенные выше примеры были примерами простой диффузии.
Простая диффузия важна в химических реакциях, во многих физических явлениях и может даже влиять на глобальные погодные условия и геологические события. В большинстве биологических систем диффузия происходит через полупроницаемую мембрану из липидный бислой, Мембрана имеет поры и отверстия для прохождения определенных молекул.
Облегченная диффузия
С другой стороны, облегченная диффузия, как указывает этот термин, требует присутствия другой молекулы (посредника) для того, чтобы произошла диффузия. Облегченная диффузия необходима для движения больших или полярных молекул через гидрофобный липидный бислой. Облегченная диффузия необходима для биохимических процессов в каждой клетке, поскольку существует связь между различными субклеточными органеллами. Например, в то время как газы и небольшие молекулы, такие как метан или вода, могут свободно диффундировать через плазматическая мембрана более крупные заряженные молекулы, такие как углеводы или нуклеиновые кислоты, нуждаются в помощи трансмембранных белков, образующих поры или каналы.
Поскольку они представляют собой относительно большие отверстия в плазматической мембране, эти интегральные мембранные белки также обладают высокой специфичностью. Например, канальный белок который транспортирует ионы калия, имеет гораздо более высокое сродство к этому иону, чем очень похожий ион натрия, с почти таким же размером и зарядом.
- Градиент концентрации – Постепенное снижение концентрации вещества, часто растворенного в растворе. В живых системах этот градиент обычно виден с двух сторон полупроницаемой липидной мембраны.
- гепатоцитов – Клетки во внутренней паренхиматозной области печени, составляющие большую часть массы печени. Участвует в пищеварении и метаболизме белков, липидов и углеводов. Они также играют решающую роль в детоксикации организма.
- Интегральный мембранный белок – Белки, которые охватывают ширину мембраны и являются важными структурными и функциональными частями биологических мембран.
- сублимация – Превращение материала в его твердой фазе непосредственно в газообразное состояние без промежуточного перехода в жидкое состояние.
викторина
1. Какое из этих утверждений о диффузии молекул верно?A. Облегченная диффузия полностью обеспечивается гидролизом ГТФB. Никогда не нуждается в присутствии какой-либо другой молекулыC. Диффузия каждой молекулы зависит от градиента ее концентрации и не зависит от концентрации других молекул вид в средеD. Все вышеперечисленное
Ответ на вопрос № 1
С верно. На движение одной молекулы вдоль градиента концентрации не влияют градиенты концентрации любых других веществ в той же среде.
2. Если бы в устье тигля, нагревавшего йод, находилась охлаждающая жидкость, как это повлияло бы на скорость ее диффузии?A. Останется без измененийB. УвеличениеC. УменьшитьD. Это будет зависеть от характера и температуры охлаждающей жидкости
Ответ на вопрос № 2
С верно. Присутствие охлаждающей жидкости в устье тигля понизит температуру газообразного йода. Это уменьшит скорость диффузии.
3. Какое из этих утверждений не соответствует действительности?A. Большие полярные молекулы не могут диффундировать через биологическую мембрануB. Диоксид углерода будет диффундировать быстрее, чем газообразный бромC. Интегральные мембранные белки, которые облегчают диффузию, очень специфичны в отношении своего грузаD. Все вышеперечисленное
Ответ на вопрос № 3
верно. Полярные молекулы могут диффундировать через мембраны, но им необходимо присутствие трансмембранного канала или белка. Углекислый газ легче брома и поэтому быстрее диффундирует.
Ссылки
- Mehrer, H. and Stolwijk, N.A. (2005). «Герои и основные моменты в истории распространения». Основы диффузии 2, 1.1–1.10.
- Филиберт Дж. (2009). «Полтора века диффузии: Фик, Эйнштейн, до и после». Основы диффузии 11 (1): 1-32.
- Спает Э.Е. и Фридлендер С.К. (1967). «Диффузия кислорода, диоксида углерода и инертного газа в протекающей крови». Biophys J. 7 (6): 827–851.