Difúze Definice

Difúze je fyzikální proces, který odkazuje na čistý pohyb molekul z oblasti s vysokou koncentrací do jedné nižší koncentraci. Materiál, který difunduje, může být pevná látka, kapalina nebo plyn. Podobně médium, ve kterém dochází k difúzi, může být také V jednom ze tří fyzikálních stavů.

jednou z hlavních charakteristik difúze je pohyb molekul podél koncentračního gradientu. I když by to mohlo být usnadněno jinými molekulami, nezahrnuje přímo molekuly s vysokou energií, jako je adenosintrifosfát (ATP) nebo guanosin trifosfát (GTP).

rychlost difúze závisí na povaze interakce mezi médiem a materiálem. Například plyn velmi rychle difunduje v jiném plynu. Příkladem toho je způsob, jakým se škodlivý zápach amoniakového plynu šíří ve vzduchu. Podobně, pokud kanystr kapalného dusíku trochu uniká, plynný dusík, který uniká, by se rychle rozptýlil do atmosféry. Stejný plyn by difundoval mírně pomaleji v kapalině, jako je voda, a nejpomaleji v pevné látce.

podobně dvě mísitelné kapaliny také difundují do sebe, aby vytvořily jednotný roztok. Například, když je voda smíchána s glycerolem, v průběhu času obě kapaliny difundují radiálně do sebe. To lze dokonce vizuálně pozorovat přidáním různých barevných barviv do každé kapaliny. Stejný jev však není vidět, když jsou nemísitelné kapaliny, jako je benzín a voda, smíchány dohromady. Difúze probíhá pomalu a pouze přes malý povrch interakce mezi oběma tekutinami.

příklady difúze

difúze je důležitou součástí mnoha biologických a chemických procesů. V biologických systémech dochází k difúzi v každém okamžiku, napříč membránami v každé buňce i v těle.

například kyslík je ve vyšší koncentraci uvnitř tepen a arteriol, když ve srovnání s hladinou kyslíku v aktivně dýchají buněk. Když krev proudí do kapilár ve svalu nebo jater, například, tam je jen jedna vrstva buněk oddělující tento kyslík z hepatocytů nebo kosterních svalových vláken. Prostřednictvím procesu pasivní difúze, bez aktivního zapojení jakékoli jiné molekuly kyslík prochází kapilární membránou a vstupuje do buněk.

buňky využívají kyslík v mitochondriích pro aerobní dýchání, které vytváří jako vedlejší produkt plynný oxid uhličitý. Opět, jak se koncentrace tohoto plynu zvyšuje v buňce, difunduje směrem ven směrem k kapilárám, kde síla tekoucí krve odstraňuje přebytečný plyn z oblasti tkáně. Tímto způsobem kapiláry zůstávají v nízké koncentraci oxidu uhličitého, což umožňuje konstantní pohyb molekuly od buněk.

tento příklad také ukazuje, že difúze jakéhokoli materiálu je nezávislá na difúzi jakýchkoli jiných látek. Když se kyslík pohybuje směrem k tkáním z kapilár, oxid uhličitý vstupuje do krevního řečiště.

v chemických procesech je difúze často ústředním principem, který řídí mnoho reakcí. Jako jednoduchý příklad se několik krystalů cukru ve sklenici vody v průběhu času pomalu rozpustí. K tomu dochází, protože dochází k čistému pohybu molekul cukru do vodního média. Dokonce i ve velkých průmyslových reakcích, když jsou dvě kapaliny smíchány dohromady, difúze spojuje reaktanty dohromady a umožňuje hladký průběh reakce. Například jedním ze způsobů, jak je syntetizován polyester, je smíchání vhodné organické kyseliny a alkoholu v jejich kapalné formě. Reakce probíhá, když se oba reaktanty difundují k sobě a podstoupí chemickou reakci za vzniku esterů.

Faktory, které Ovlivňují Šíření

Šíření je ovlivněna teplotou, oblast interakce, strmost koncentrační gradient a velikost částic. Každý z těchto faktorů může nezávisle a kolektivně měnit rychlost a rozsah difúze.

teplota

v jakémkoli systému se molekuly pohybují s určitým množstvím kinetické energie. To obvykle není namířeno žádným konkrétním způsobem a může se zdát náhodné. Když se tyto molekuly srazí navzájem, dochází ke změně směru pohybu, stejně jako ke změnám hybnosti a rychlosti. Například, pokud blok suchý led (oxid uhličitý v pevné formě) je umístěn uvnitř krabice, oxid uhličitý molekuly ve středu bloku většinou srazí s sebou a získat zachovány v pevnou hmotu. U molekul na periferii však rychle se pohybující molekuly ve vzduchu také ovlivňují jejich pohyb, což jim umožňuje difundovat do vzduchu. To vytváří koncentrační gradient, koncentrace oxidu uhličitého postupně klesá se vzdáleností od kus suchého ledu.

se zvýšením teploty se zvyšuje kinetická energie všech částic v systému. To zvyšuje rychlost pohybu molekul rozpuštěné látky a rozpouštědla a zvyšuje kolize. To znamená, že suchý led (nebo i obyčejný led) bude odpařovat rychleji na teplejší den, jednoduše proto, že každá molekula se pohybuje s větší energii a je více pravděpodobné, že rychle uniknout za hranice pevného stavu.

Oblast interakce

prodloužit příkladu uvedeného výše, pokud blok suchého ledu je rozdělen na více částí, oblasti, která interaguje s atmosférou okamžitě zvyšuje. Počet molekul, které se srazí pouze s jinými částicemi oxidu uhličitého v suchém ledu, klesá. Proto se také zvyšuje rychlost difúze plynu do vzduchu.

tuto vlastnost lze pozorovat ještě lépe, pokud má plyn zápach nebo barvu. Například, když je jód sublimován nad horkým sporákem, fialové výpary se začínají objevovat a mísit se vzduchem. Pokud se sublimace provádí v úzkém kelímku, výpary se pomalu rozptýlí směrem k ústí nádoby a poté rychle zmizí. I když jsou omezeny na menší plochu v kelímku, rychlost difúze zůstává nízká.

to je také vidět, když jsou dva kapalné reaktanty smíchány mezi sebou. Míchání zvyšuje oblast interakce mezi oběma chemikáliemi a umožňuje těmto molekulám rychleji difundovat k sobě. Reakce probíhá směrem k dokončení rychleji. Na podobné poznámky, žádné rozpuštěné látky, které je rozbité na malé kousky, a směs se míchá do rozpouštědla rozpouští rychle – další ukazatel molekuly difuzní lepší, když oblast interakce zvyšuje.

Strmost Koncentrační Gradient

Jelikož difúze je napájen především tím, že pravděpodobnost, že molekuly se pohybují od regionu vyšší sytost, okamžitě vyplývá, že při střední (nebo rozpouštědla) má velmi nízké koncentraci rozpuštěné látky, pravděpodobnost, že molekula rozptylující od centrální části je vyšší. Například, v příkladu o šíření jódu plynu, pokud kelímku je umístěn v jiné uzavřené nádobě a jód krystaly jsou zahřívá po delší dobu, sazba, za kterou fialová plyn zdá, že ‚zmizí‘ v ústí kelímek sníží. Toto zjevné zpomalení je způsobeno skutečností, že v průběhu času začne mít větší nádoba dostatek jódového plynu, že se část z nich bude pohybovat „dozadu“ směrem k kelímku. I když se jedná o náhodný neřízený pohyb, s velkým objemem, může vytvořit scénář, kdy nedochází k čistému pohybu plynu z kontejneru.

velikost částic

při jakékoli dané teplotě bude difúze menší částice rychlejší než difúze větší molekuly. To souvisí jak s hmotností molekuly, tak s její povrchovou plochou. Těžší Molekula s větší povrchovou plochou bude difundovat pomalu, zatímco menší, lehčí částice budou difundovat rychleji. Například, zatímco kyslíkový plyn bude difundovat o něco rychleji než oxid uhličitý, oba se budou pohybovat rychleji než jodový plyn.

Funkce Šíření

Šíření v lidském těle, je nezbytný pro vstřebávání trávené živin, výměna plynů, šíření nervových impulsů, pohyb, hormony a další metabolity směrem k jejich cílové orgány, a pro téměř každou událost v embryonálním vývoji.

Druhy Šíření

Šíření může být buď prostá difuze a být usnadněno další molekulu

Prostá Difuze

Jednoduchá difúze je pouze pohyb molekul po jejich koncentračním gradientu bez přímého zapojení jakékoliv jiné molekuly. Může zahrnovat buď šíření materiálu médiem, nebo transport částice přes membránu. Všechny výše uvedené příklady byly příklady jednoduché difúze.

obraz je jednoduchým znázorněním difúze jedné částice v jiném médiu.

Jednoduchá difúze je relevantní v chemických reakcích, v mnoha fyzikálních jevů, a může dokonce ovlivnit globální počasí, a geologické události. Ve většině biologických systémů dochází k difúzi přes polopropustnou membránu vyrobenou z lipidové dvojvrstvy. Membrána má póry a otvory, které umožňují průchod specifických molekul.

facilitované Difuze

Na druhou stranu, facilitované difúze, jak termín naznačuje, vyžaduje přítomnost další molekuly (facilitátora), aby pro šíření dochází. Usnadněná difúze je nezbytná pro pohyb velkých nebo polárních molekul přes hydrofobní lipidovou dvojvrstvu. Usnadněná difúze je nezbytná pro biochemické procesy každé buňky, protože existuje komunikace mezi různými subcelulárními organely. Jako příklad, zatímco plyny a malých molekul, jako je metan nebo vody mohou difundovat volně přes plasmatickou membránu, větší nabité molekuly jako sacharidy či nukleové kyseliny potřebovat pomoc transmembránové proteiny, které tvoří póry nebo kanály.

obrázek ukazuje pohyb nerozpustné molekuly z extracelulární prostor vůči cytoplazmě.

protože se jedná o relativně velké otvory v plazmatické membráně, mají tyto integrální membránové proteiny také vysokou specificitu. Například kanálový protein, který transportuje ionty draslíku, má mnohem vyšší afinitu k tomuto iontu než velmi podobný iont sodíku, s téměř stejnou velikostí a nábojem.

• koncentrační Gradient-postupné snižování koncentrace látky, často rozpuštěné látky v roztoku. V živých systémech je tento gradient obvykle vidět na dvou stranách polopropustné lipidové membrány.
• hepatocyty-buňky ve vnitřní parenchymální oblasti jater, které tvoří velkou část jaterní hmoty. Podílí se na trávení a metabolismu bílkovin, lipidů a sacharidů. Hrají také klíčovou roli při detoxikaci těla.
• integrální membránový Protein-proteiny, které pokrývají šířku membrány a jsou důležitými strukturálními a funkčními částmi biologických membrán.
• sublimace-přeměna materiálu v jeho pevné fázi přímo do plynného stavu, bez zasahujícího přechodu do kapalného stavu.

kvíz

1. Které z těchto tvrzení o difúzi molekul je pravdivé?
a. Usnadněna difuze je poháněn výhradně GTP hydrolýza
B. Nikdy potřebuje přítomnost jiné molekuly,
C. Šíření každá molekula je závislá na koncentračním gradientu a je nezávislá na koncentraci dalších molekulárních druhů ve střední
D. Všechny výše uvedené

2. Pokud by v blízkosti ústí kelímku bylo chladivo zahřívající jód, jak by to ovlivnilo jeho rychlost difúze?
A. zůstane beze změny.
B. Zvýšení
C. Pokles
D. To bude záviset na povaze a teploty chladicí kapaliny

3. Které z těchto tvrzení není pravdivé?
a. velké polární molekuly nemohou difundovat přes biologickou membránu
b. Oxid uhličitý by difundují rychleji než brom plynu
C. Integrální membránové proteiny, které usnadňují šíření jsou velmi zvláštní o jejich náklad
D. Všechny výše uvedené

• Mehrer, H. and Stolwijk, N.A. (2005). „Heroes and Highlights in the History of Diffusion“. Základy Difúze 2, 1.1-1.10.
• Philibert, J. (2009). „Jedno a půl století difúze: Fick, Einstein, před a za“. Základy Difúze 11 (1): 1-32.
• Spaeth e. E., a Friedlander, S. K. (1967). „Difúze kyslíku, oxidu uhličitého a inertního plynu v tekoucí krvi“. Biophys J. 7 (6): 827-851.