Diffusionsdefinition

Diffusion er en fysisk proces, der refererer til netbevægelsen af molekyler fra en region med høj koncentration til en med lavere koncentration. Materialet, der diffunderer, kan være et fast stof, væske eller gas. Tilsvarende kan mediet, hvori diffusion forekommer, også være i en af de tre fysiske tilstande.

et af de vigtigste egenskaber ved diffusion er bevægelsen af molekyler langs koncentrationsgradienten. Selvom dette kunne lettes af andre molekyler, involverer det ikke direkte højenergimolekyler, såsom adenosintrifosfat (ATP) eller guanosintrifosfat (GTP).

diffusionshastigheden afhænger af arten af interaktion mellem mediet og materialet. For eksempel diffunderer en gas meget hurtigt i en anden gas. Et eksempel på dette er den måde, hvorpå den skadelige lugt af ammoniakgas spreder sig i luften. Tilsvarende, hvis en beholder med flydende nitrogen lækker lidt, vil nitrogengas, der slipper ud, hurtigt diffundere ud i atmosfæren. Den samme gas ville diffundere lidt langsommere i en væske som vand og langsomste i et fast stof.

tilsvarende vil to blandbare væsker også diffundere ind i hinanden for at danne en ensartet opløsning. For eksempel, når vand blandes med glycerol, diffunderer de to væsker over tid radialt ind i hinanden. Dette kan endda observeres visuelt ved tilsætning af forskellige farvede farvestoffer til hver af væskerne. Imidlertid ses det samme fænomen ikke, når ublandbare væsker som brændstof og vand blandes sammen. Diffusion sker langsomt og kun på tværs af den lille overflade af interaktion mellem de to væsker.

eksempler på Diffusion

Diffusion er en vigtig del af mange biologiske og kemiske processer. I biologiske systemer forekommer diffusion i hvert øjeblik på tværs af membraner i hver celle såvel som gennem kroppen.

for eksempel er ilt i en højere koncentration inde i arterier og arterioler sammenlignet med iltniveauerne i aktivt respirerende celler. Når blod strømmer ind i kapillærerne i musklen eller leveren, er der for eksempel kun et enkelt lag celler, der adskiller dette ilt fra hepatocytter eller skeletmuskelfibre. Gennem en proces med passiv diffusion, uden aktiv involvering af noget andet molekyle, passerer ilt gennem kapillærmembranen og kommer ind i cellerne.

celler bruger ilt i mitokondrierne til aerob respiration, som genererer kulsyre som et biprodukt. Når koncentrationen af denne gas igen stiger i cellen, diffunderer den udad mod kapillærer, hvor kraften i flydende blod fjerner overskydende gas fra vævsområdet. På denne måde forbliver kapillærerne ved en lav kulstofkoncentration, hvilket tillader konstant bevægelse af molekylet væk fra celler.

dette eksempel viser også, at diffusionen af et hvilket som helst materiale er uafhængig af diffusionen af andre stoffer. Når ilt bevæger sig mod væv fra kapillærer, kommer kulsyre ind i blodbanen.i kemiske processer er diffusion ofte det centrale princip, der driver mange reaktioner. Som et simpelt eksempel opløses et par sukkerkrystaller i et glas vand langsomt over tid. Dette sker, fordi der er en nettobevægelse af sukkermolekyler i vandmediet. Selv i store industrielle reaktioner, når to væsker blandes sammen, bringer diffusion reaktanterne sammen og tillader reaktionen at gå glat. For eksempel er en af måderne, hvorpå polyester syntetiseres, ved at blande den passende organiske syre og alkohol i deres flydende form. Reaktionen forløber, når de to reaktanter diffunderer mod hinanden og gennemgår en kemisk reaktion for at danne estere.

faktorer, der påvirker Diffusion

Diffusion påvirkes af temperatur, interaktionsområde, stejlhed i koncentrationsgradienten og partikelstørrelse. Hver af disse faktorer kan uafhængigt og kollektivt ændre hastigheden og omfanget af diffusion.

temperatur

i ethvert system bevæger molekyler sig med en vis mængde kinetisk energi. Dette er normalt ikke rettet på nogen bestemt måde og kan forekomme tilfældigt. Når disse molekyler kolliderer med hinanden, er der en ændring i bevægelsesretningen samt ændringer i momentum og hastighed. For eksempel, hvis en blok tøris (kulsyre i fast form) placeres inde i en kasse, kolliderer kulsyre molekyler i midten af blokken for det meste med hinanden og bliver tilbageholdt i den faste masse. For molekyler i periferien påvirker hurtigt bevægende molekyler i luften imidlertid også deres bevægelse, så de kan diffundere i luften. Dette skaber en koncentrationsgradient, hvor koncentrationen af kulsyre gradvist falder med afstanden fra tørisklumpen.

med temperaturstigning øges den kinetiske energi af alle partikler i systemet. Dette øger den hastighed, hvormed opløst stof og opløsningsmiddelmolekyler bevæger sig, og øger kollisioner. Dette betyder, at tørisen (eller endda almindelig is) fordamper hurtigere på en varmere dag, simpelthen fordi hvert molekyle bevæger sig med større energi og er mere tilbøjelige til hurtigt at undslippe rammerne for en fast tilstand.

interaktionsområde

for at udvide eksemplet ovenfor, hvis tørisblokken brydes i flere stykker, øges det område, der interagerer med atmosfæren, straks. Antallet af molekyler, der kun kolliderer med andre kulstofpartikler i tøris, falder. Derfor øges hastigheden af diffusion af gassen i luft også.

denne egenskab kan observeres endnu bedre, hvis gassen har en lugt eller farve. For eksempel, når jod sublimeres over en varm komfur, lilla dampe begynder at dukke op og blandes med luft. Hvis sublimering udføres i en smal digel, diffunderer dampene langsomt ud mod beholderens munding og forsvinder derefter hurtigt. Mens de er begrænset til det mindre overfladeareal inden i diglen, forbliver diffusionshastigheden lav.

dette ses også, når to flydende reaktanter blandes med hinanden. Omrøring øger interaktionsområdet mellem de to kemikalier og gør det muligt for disse molekyler at diffundere mod hinanden hurtigere. Reaktionen fortsætter mod færdiggørelse med en hurtigere hastighed. På en lignende note opløses ethvert opløst stof, der brydes i små stykker og omrøres i opløsningsmidlet, hurtigt – en anden indikator for molekyler, der diffunderer bedre, når interaktionsområdet øges.

stejlhed af koncentrationsgradienten

da diffusion primært drives af sandsynligheden for, at molekyler bevæger sig væk fra et område med højere mætning, følger det straks, at når mediet (eller opløsningsmidlet) har en meget lav koncentration af det opløste stof, er sandsynligheden for, at et molekyle diffunderer væk fra det centrale område, højere. For eksempel i eksemplet om diffusion af jodgas, hvis diglen placeres i en anden lukket beholder, og jodkrystaller opvarmes i en længere periode, reduceres den hastighed, hvormed den lilla gas ser ud til at ‘forsvinde’ ved digelens munding. Denne tilsyneladende afmatning skyldes det faktum, at den større beholder over tid begynder at have nok jodgas til, at noget af det bevæger sig ‘baglæns’ mod diglen. Selvom dette er tilfældig ikke-rettet bevægelse, med en stor masse, kan det skabe et scenario, hvor der ikke er nogen nettobevægelse af gas fra beholderen.

partikelstørrelse

ved en given temperatur vil diffusionen af en mindre partikel være hurtigere end for et større molekyle. Dette er relateret til både molekylets masse og dets overfladeareal. Et tungere molekyle med et større overfladeareal diffunderer langsomt, mens mindre, lettere partikler diffunderer hurtigere. For eksempel, mens iltgas diffunderer lidt hurtigere end kulsyre, vil begge bevæge sig hurtigere end jodgas.

Diffusionsfunktioner

Diffusion i den menneskelige krop er nødvendig for absorption af fordøjede næringsstoffer, gasudveksling, udbredelse af nerveimpulser, bevægelse af hormoner og andre metabolitter mod deres målorgan og for næsten enhver begivenhed i embryonal udvikling.

Diffusionstyper

Diffusion kan enten være enkel diffusion og lettes af et andet molekyle

enkel Diffusion

enkel diffusion er blot bevægelsen af molekyler langs deres koncentrationsgradient uden direkte involvering af andre molekyler. Det kan involvere enten spredning af et materiale gennem et medium eller transport af en partikel over en membran. Alle ovenstående eksempler var tilfælde af simpel diffusion.

billedet er en simpel repræsentation af diffusionen af en partikel i et andet medium.enkel diffusion er relevant i kemiske reaktioner, i mange fysiske fænomener, og kan endda påvirke globale vejrmønstre og geologiske begivenheder. I de fleste biologiske systemer forekommer diffusion over en semipermeabel membran lavet af et lipid-dobbeltlag. Membranen har porer og åbninger for at tillade passage af specifikke molekyler.

faciliteret Diffusion

på den anden side kræver faciliteret diffusion, som udtrykket indikerer, tilstedeværelsen af et andet molekyle (facilitatoren) for at diffusion kan forekomme. Faciliteret diffusion er nødvendig for bevægelse af store eller polære molekyler over det hydrofobe lipid-dobbeltlag. Lettet diffusion er nødvendig for de biokemiske processer i hver celle, da der er kommunikation mellem forskellige subcellulære organeller. Som et eksempel, mens gasser og små molekyler som metan eller vand kan diffundere frit over en plasmamembran, har større ladede molekyler som kulhydrater eller nukleinsyrer brug for hjælp fra transmembranproteiner, der danner porer eller kanaler.

billedet viser bevægelsen af et uopløseligt molekyle fra det ekstracellulære rum mod cytoplasmaet.

da de er relativt store åbninger i plasmamembranen, har disse integrerede membranproteiner også høj specificitet. For eksempel har kanalproteinet, der transporterer kaliumioner, en meget højere affinitet for den ion end en meget lignende natriumion med næsten samme størrelse og ladning.

• koncentrationsgradient – gradvist fald i koncentrationen af et stof, ofte et opløst stof i en opløsning. Inden for levende systemer ses denne gradient normalt på to sider af en semipermeabel lipidmembran.
• hepatocytter-celler i leverens indre parenkymale område, der udgør en stor del af levermassen. Involveret i fordøjelsen og metabolismen af proteiner, lipider og kulhydrater. De spiller også en afgørende rolle i afgiftning af kroppen.Integral membranprotein-proteiner, der spænder over bredden af en membran og er vigtige strukturelle og funktionelle dele af biologiske membraner.
• sublimering-omdannelsen af et materiale i sin faste fase direkte til gasformig tilstand uden en mellemliggende overgang til flydende tilstand.

test

1. Hvilke af disse udsagn om diffusion af molekyler er sandt?
A. Faciliteret diffusion drives udelukkende af GTP-hydrolyse
B. behøver aldrig tilstedeværelsen af noget andet molekyle
C. Diffusion af hvert molekyle er afhængig af dets koncentrationsgradient og uafhængig af koncentrationen af andre molekylære arter i mediet
D. alt ovenstående

2. Hvis der var et kølemiddel nær mundingen af en smeltedigel opvarmning jod hvordan ville det påvirke dens diffusionshastighed?
A. ville forblive uændret
B. stigning
C. fald
D. Det ville afhænge af kølevæskens art og temperatur

3. Hvilke af disse udsagn er ikke sandt?
A. Store polære molekyler kan ikke diffundere over en biologisk membran
B. C. integrerede membranproteiner, der letter diffusion, er meget specifikke for deres last
D. Alt det ovenstående

• Mehrer, H. og Stolvijk, N. A. (2005). “Helte og højdepunkter i Diffusionens historie”. Diffusion Fundamentals 2, 1.1-1.10.
• Philibert, J. (2009). “Et og et halvt århundrede af Diffusion: Fick, Einstein, før og videre”. Diffusion Fundamentals 11 (1): 1-32.Spaeth, E. E. og Friedlander, S. K. (1967). “Diffusion af ilt, kulsyre og Inert Gas i flydende blod”. Biophys J. 7 (6): 827-851.