Difuzija — kas tai? Molekulių judėjimas, greitis ir pavyzdžiai

Difuzija — kas tai? Sužinokite apie molekulių judėjimą, difuzijos greitį, veiksnius ir praktinius pavyzdžius (vanduo, kvapai, ląstelės).

Difuzija – tai procesas, kurio metu medžiagos molekulės juda iš didelės koncentracijos srities (kurioje yra daug molekulių) į mažos koncentracijos sritį (kurioje yra mažiau molekulių), kol pasiekiama pusiausvyra (molekulės pasiskirsto tolygiai). Difuzija yra natūralus rezultatų atsitiktinio molekulių judėjimo (Brauno judėjimo) ir vyksta tol, kol nepasiekiama koncentracijų vienodybė arba kol judėjimą sustabdo fizinė siena ar membrana.

Difuzija dažniausiai pastebima dujose ir skysčiuose, tačiau ji taip pat vyksta ir kietuose kūnuose (t. y. medžiagų įsisotinimas ar atomų judėjimas kristaline terpėje), tik paprastai kietuose kūnuose šis procesas yra žymiai lėtesnis. Todėl teiginys, kad „difuzija gali vykti tik su dujomis ir skysčiais“, nėra visiškai tikslus — difuzija gali vykti visuose agregatinėse būsenose, tik skirtingu greičiu.

Pavyzdžiai

• Cukraus kubelis kuriam laikui paliekamas stiklinėje su vandeniu – cukraus molekulės ištirpsta ir pasklinda po visą stiklinę.
• Amoniako kvapas sklinda nuo klasės priekio iki galo.
• Nuėmus buteliuko dangtelį, iš buteliuko sklinda kvepalų garai ir pasklinda patalpoje.
• Ant ąsočio užlašinti maistiniai dažai lėtai pasiskirsto po vandenį.
• Po visus namus pasklidęs maisto kvapas – garų ir dujų molekulės difuzija ore.
• Dujų mainai plaučiuose: deguonies molekulės pereina iš alveolių į kraują, o anglies dioksidas juda priešinga kryptimi.

Molekulės yra linkusios judėti iš didelės koncentracijos vietų į mažos koncentracijos vietas dėka nuolatinio atsitiktinio judėjimo. Pavyzdžiui, plaučiuose yra daugiau deguonies nei tam tikrose kraujo dalyse, todėl deguonies molekulės linkusios difunduoti į kraują. Taip pat kraujyje gali būti daugiau anglies dioksido nei plaučiuose, todėl šio dujų kiekis difunduos į plaučius. Ląstelių biologijoje mažos, tirpios medžiagos gali tiesiog difunduoti pro ląstelės membraną, o didesnės arba polinės molekulės dažnai reikalauja specialių pernešimo baltymų (facilitated diffusion) arba energijos naudojimo (žr. aktyvųjį pernešimą).

Atsitiktinis molekulių judėjimas (Brauno judėjimas) lieka molekulių judėjimo pagrindas — kol nėra išorinio energijos šaltinio ar aktyvių transporto mechanizmų, difuzija yra pasyvus procesas: ji vyksta žemyn koncentracijos gradientu ir nereikalauja papildomos energijos iš ląstelės ar sistemos.

Fizikinė esmė ir matematiniai pagrindai

Difuziją galima aprašyti empiriškai ir teoriškai. Pagrindinės formulės:

• Ficko pirmasis dėsnis (stacionariai būklei): molekulių srautas J (kiekis per ploto vienetą per laiko vienetą) proporcingas koncentracijos gradientui: J = −D · (dc/dx), kur D – difuzijos koeficientas.
• Ficko antrasis dėsnis apibūdina laiko ir erdvės priklausomą koncentracijos pokytį (nestacionariai difuzijai).

Difuzijos koeficientas D priklauso nuo temperatūros, terpės klampos (viskozės) ir judančių dalelių dydžio. Stokes–Einstein formulė smulkioms sferinėms dalelėms skystoje terpėje: D ≈ kT / (6π η r), kur k – Boltzmanno konstanta, T – absoliuti temperatūra, η – terpės klampa, r – dalelės spindulys.

Tipiškos D reikšmės (apytikslės): dujose ~10^−5 m^2/s, skysčiuose ~10^−9–10^−10 m^2/s, kietuose kūnuose dažniausiai daug mažesnės (pvz., ~10^−15 m^2/s ir žemiau, priklausomai nuo medžiagos ir temperatūros).

Difuzijos greitį lemiantys veiksniai

Difuzijos greitį įtakoja keli pagrindiniai veiksniai:

• Koncentracijos gradientas – kuo didesnis skirtumas tarp regionų, tuo stipresnis „varomasis“ srautas.
• Temperatūra – didesnė temperatūra didina molekulių kinetinę energiją ir didina D.
• Molekulių dydis ir forma – mažesnės dalelės difunduos greičiau nei didelės.
• Terpės savybės (klampa, porėtumas) – tirpiklio viskozė ir tinklo struktūra (pvz., geliai, audiniai) gali sulėtinti difuziją.
• Paviršiaus plotas – didesnis kontaktinis plotas tarp regionų leidžia didesniam kiekiui medžiagos praeiti per laiko vienetą.
• Difuzijos atstumas – trumpesnis atstumas tarp sričių leidžia greičiau pasiekti pusiausvyrą.
• Membranų pralaidumas – biologinėse sistemose difuzijos greitį riboja membranų perėjimo galimybės ir kanalų/pranešėjų prieinamumas.

Paviršiaus plotas ir tūris

Mažuose vienaląsčiuose organizmuose paprasta difuzija dažnai yra pakankama mainams su aplinka, nes jų didelis paviršiaus ploto ir tūrio santykis leidžia greitai pasiekti reikalingas medžiagų koncentracijas. Tačiau daugialąsčiai organizmai turi didesnį tūrį ir mažesnį santykį, todėl vien paprasta difuzija negali užtikrinti greitų medžiagų mainų per didesnius atstumus. Todėl evoliucijos metu susiformavo specialios struktūros ir sistemų — kvėpavimo, kraujotakos, medžiagų pernešimo — kurios pagerina medžiagų paskirstymą. Pavyzdžiui, žmonės turi plaučius ir kraujotaką, o augalai – lapų struktūrą su dideliu paviršiaus plotu (lapai), plonais audiniais ir kamienais, kurie sumažina atstumus, kuriuos turi nukeliauti molekulės.

Biologinis reikšmingumas ir susiję procesai

Difuzija yra kertinė biologinių procesų dalis: dujų mainai (deguonies ir anglies dioksido pernaša), maisto medžiagų įsisavinimas, signalinių molekulių pasklidimas tarp ląstelių. Kai kurie procesai yra panašūs, bet skirtingi:

• Osmosis – tirpiklio (pvz., vandens) difuzija per pusiau pralaidžią membraną.
• Facilitated diffusion – difuzija per membranos baltymus, kai medžiagos pernešamos pagal koncentracijos gradientą be energijos vartojimo.
• Aktyvus pernešimas – medžiagų transportas prieš koncentracijos gradientą, reikalaujantis energijos (žr. aktyvųjį pernešimą).

Santrauka

Difuzija yra fundamentali fizikinė ir biologinė sąvoka, apibūdinanti medžiagų pasiskirstymą dėl atsitiktinio molekulių judėjimo. Ji priklauso nuo koncentracijos skirtumo, temperatūros, dalelių dydžio, terpės savybių ir atstumo. Nors tai pasyvus procesas, organizmai turi daug priemonių (membranų baltymus, organus, sistemas), kad optimizuotų difuziją ir aprūpintų audinius reikalingomis medžiagomis.

Susiję puslapiai: žr. aukščiau paminėtas nuorodas į molekules, plaučius, kraują ir kt.

Klausimai ir atsakymai

K: Kas yra difuzija?

K: Kokio tipo medžiagose paprastai vyksta difuzija?

K: Kaip galime stebėti difuziją?

K: Ką apibūdina difuzija?

K: Ar yra kokia nors konkreti kryptis, kuria dalelės juda difuzijos metu?

Klausimas: Ar pasiekus pusiausvyrą dalelių judėjimas sustoja?

K: Ar yra kokių nors šio proceso išimčių?

Paieška pagal raidę