Diffusion Definition

Diffusionは、高濃度の領域から低濃度の領域への分子の正味の動きを指す物理的プロセスです。 拡散する材料は、固体、液体または気体であり得る。 同様に、拡散が起こる媒体もまた、３つの物理状態のうちの１つにある可能性がある。

拡散の主な特徴の一つは、濃度勾配に沿った分子の動きである。 これは他の分子によって促進される可能性があるが、アデノシン三リン酸（ATP）またはグアノシン三リン酸（GTP）のような高エネルギー分子を直接関与させp>

拡散の速度は、媒体と材料との間の相互作用の性質に依存します。 例えば、ガスは別のガス中で非常に迅速に拡散する。 その一例は、アンモニアガスの有害な臭いが空気中に広がる方法です。 同様に、液体窒素のキャニスターが少し漏れると、逃げる窒素ガスはすぐに大気中に拡散するでしょう。 同じガスは、水のような液体中ではわずかにゆっくりと拡散し、固体中では最も遅い。同様に、2つの混和性液体も互いに拡散して均一な溶液を形成する。

例えば、水がグリセロールと混合されるとき、そのうちに2つの液体は互いに放射状に拡散します。 これは、液体のそれぞれに異なる着色染料を添加することによって視覚的に観察することさえできる。 しかし、ガソリンと水のような非混和性の液体が一緒に混合されている場合、同じ現象は見られません。 拡散はゆっくりと起こり、二つの流体間の相互作用の小さな表面を横切ってのみ起こる。

拡散の例

拡散は、多くの生物学的および化学的プロセスの重要な部分です。 生物学的システムでは、拡散はあらゆる細胞の膜を渡って、またボディを通ってあらゆる時に、起こります。

例えば、酸素は、活発に呼吸する細胞の酸素レベルと比較して、動脈および細動脈の内部でより高い濃度にある。 血液が筋肉または肝臓の毛細血管に流入するまでに、例えば、肝細胞または骨格筋線維からこの酸素を分離する細胞の単層のみが存在する。 受動拡散のプロセスを通じて、他の分子の能動的関与なしに、酸素は毛細管膜を通過し、細胞に入る。

細胞はミトコンドリアの酸素を好気性呼吸に利用し、二酸化炭素ガスを副産物として生成します。 もう一度、このガスの集中が細胞の内で増加すると同時に、流れる血の力がティッシュの地域から余分なガスを取除く毛管の方に外側に拡散します。 このようにして、毛細血管は低二酸化炭素濃度のままであり、細胞から離れた分子の一定の移動を可能にする。

この例では、いずれかの物質の拡散が他の物質の拡散とは無関係であることも示しています。

この例では、任意の物質の拡散が他の物質の拡散 酸素が毛細血管から組織に向かって移動しているとき、二酸化炭素は血流に入っています。化学プロセスでは、多くの場合、拡散は多くの反応を駆動する中心的な原理です。

簡単な例として、水のガラスの中の砂糖のいくつかの結晶は、時間の経過とともにゆっくりと溶解するでしょう。 これは、水媒体への糖分子の正味の動きがあるために起こる。 大規模な工業的反応であっても、二つの液体が一緒に混合されると、拡散は反応物を一緒にもたらし、反応がスムーズに進行することを可能にする。 例えば、ポリエステルが合成される方法の一つは、適切な有機酸とアルコールを液体の形態で混合することである。 反応は2つの反応物が互いに向かって拡散し、エステルを形成するために化学反応を受けるにつれて進行する。

拡散に影響を与える要因

拡散は、温度、相互作用の面積、濃度勾配の急峻さおよび粒子サイズによって影響されます。 これらの要因の各々は、独立して、そして集合的に、拡散の速度および程度を変えることができる。

温度

任意のシステムでは、分子は一定量の運動エネルギーで動いています。 これは通常、特定の方法では指示されず、ランダムに表示されることがあります。 これらの分子が互いに衝突するとき、運動量および速度への変更と同様、動きの方向に変更があります。 例えば、ドライアイスのブロック（固体の二酸化炭素）が箱の中に置かれると、ブロックの中心にある二酸化炭素分子はほとんど衝突し、固体の塊の中に保持されます。 しかし、周囲の分子の場合、空気中で急速に動く分子もその動きに影響を与え、空気中に拡散することができます。 これは、二酸化炭素の濃度が徐々にドライアイスの塊からの距離とともに減少して、濃度勾配を作成します。

温度が上昇すると、システム内のすべての粒子の運動エネルギーが増加する。 これは溶質および溶媒分子が移動する速度を増加させ、衝突を増加させる。 これは、各分子がより大きなエネルギーで移動しており、固体状態の境界をすばやく脱出する可能性が高いため、ドライアイス（または通常の氷）が暖かい日にはより速く蒸発することを意味します。

相互作用領域

上記の例を拡張するには、ドライアイスのブロックが複数の部分に分割されている場合、大気と相互作用する領域がすぐに増 ドライアイス内の他の二酸化炭素粒子とのみ衝突する分子の数は減少する。 したがって、空気中へのガスの拡散速度も増加する。

この特性は、ガスに臭いや色がある場合にさらによく観察されます。 例えば、ヨウ素が熱いストーブの上で昇華されると、紫色の煙が現れ、空気と混合し始める。 昇華が狭いるつぼで遂行されれば、発煙は容器の口の方にゆっくり拡散し、次に急速に消えます。 それらがるつぼ内のより小さい表面積に制限される間、拡散の率は低い残ります。これは、2つの液体反応物が互いに混合されている場合にも見られる。

これは、液体反応物が混合されている場合にも見られる。 攪拌は、2つの化学物質間の相互作用の面積を増加させ、これらの分子がより迅速に互いに向かって拡散することを可能にする。 反応はより速い速度で完了に向かって進行する。 同様の注意点では、小さな断片に分割され、溶媒に攪拌された溶質は急速に溶解する–相互作用の面積が増加すると分子がよりよく拡散する別の指標。

濃度勾配の急峻さ

拡散は、主に分子がより高い飽和の領域から離れる確率によって駆動されるので、媒体（または溶媒）が溶質の濃度が非常に低い場合、分子が中心領域から離れて拡散する確率が高くなる。 例えば、ヨウ素ガスの拡散についての例では、るつぼを別の密閉容器に入れ、ヨウ素結晶を長時間加熱すると、紫色のガスがるつぼの口で”消える”ように見える速度が低下する。 この明らかな減速は、時間の経過とともに、より大きな容器が十分なヨウ素ガスを持ち始め、そのうちのいくつかがるつぼに向かって”後方に”移動する これはランダムな非指向性の動きであっても、大きなバルクでは、容器からのガスの正味の動きがないシナリオを作成することができます。

粒子サイズ

任意の温度では、より小さな粒子の拡散は、より大きなサイズの分子の拡散よりも速くなります。

粒子サイズ

任意の温度で、より小さな粒子の拡散は、より大きなサイズの分子の拡散よりも速くなります。 これは、分子の質量とその表面積の両方に関連しています。 より大きな表面積を有するより重い分子はゆっくりと拡散し、より小さくて軽い粒子はより迅速に拡散する。 例えば、酸素ガスは二酸化炭素よりもわずかに迅速に拡散するが、それらの両方はヨウ素ガスよりも迅速に移動する。

拡散の機能

人体内の拡散は、消化された栄養素の吸収、ガス交換、神経インパルスの伝播、ホルモンおよび他の代謝産物の標的器官への移動、および胚発生におけるほぼすべての事象のために必要である。

拡散の種類

拡散は、単純な拡散であり、別の分子によって促進されることができます

単純な拡散

単純な拡散は、他の分子の直接の関与なしに、その濃度勾配に沿った分子の移動に過ぎません。 これは、媒体を介した材料の拡散または膜を横切る粒子の輸送のいずれかを含むことができる。 上記のすべての例は、単純な拡散の例でした。

画像は、別の媒体中のある粒子の拡散の単純な表現です。

単純な拡散は、化学反応、多くの物理現象に関連しており、地球規模の気象パターンや地質学的事象にも影響を与える可能性があります。 ほとんどの生物学的系では、脂質二重層からなる半透過性膜を横切って拡散が起こる。 膜は、特定の分子の通過を可能にするための孔および開口部を有する。一方、促進された拡散は、用語が示すように、拡散が起こるためには別の分子（ファシリテーター）の存在を必要とする。

促進された拡散

一方、促進された拡散は、 促進された拡散は、疎水性脂質二重層を横切る大きなまたは極性分子の移動のために必要である。 様々な細胞内オルガネラ間の通信があるので、促進された拡散は、すべての細胞の生化学的プロセスのために必要です。 一例として、メタンや水のようなガスや小分子は原形質膜を自由に拡散することができますが、炭水化物や核酸のような大きな荷電分子は、細孔やチャネ

画像は、細胞外空間から細胞質に向かって不溶性分子の動きを示しています。

それらは原形質膜内の比較的大きな開口部であるため、これらの一体膜タンパク質も高い特異性を有する。

それらは原形質膜内の比較的大 例えば、カリウムイオンを輸送するチャネルタンパク質は、ほぼ同じサイズと電荷を持つ、非常に類似したナトリウムイオンよりもそのイオンに

• 濃度勾配–物質の濃度が徐々に低下し、しばしば溶液中の溶質が低下します。
  • 濃度勾配-物質の濃度が徐々に低下し、しばしば溶液中の溶質が 生体内では、この勾配は通常、半透過性脂質膜の両側に見られる。
  • 肝細胞–肝臓の内側実質領域の細胞であり、肝臓の質量の大部分を占めています。 タンパク質、脂質および炭水化物の消化および代謝に関与する。 彼らはまた、体の解毒に重要な役割を果たしています。
  • Integral Membrane Protein–膜の幅にまたがるタンパク質であり、生物学的膜の重要な構造的および機能的部分である。
  • 昇華–液体状態への介在遷移なしに、気体状態に直接その固相中の材料の変換。

  クイズ

  1. 分子の拡散についてのこれらの声明のどれが本当ですか？
  A. 促進された拡散は、GTP加水分解によって完全に供給されていますB.他の分子の存在を必要とすることはありません
  c.すべての分子の拡散は、その濃度勾配に依存し、媒体中の他の分子種の濃度とは無関係です
  D.上記のすべて

  質問＃1への答え

  Cは正しいです。 その濃度勾配に沿った一つの分子の動きは、同じ媒体中の他の物質の濃度勾配によって影響されません。

  2. るつぼ加熱ヨウ素の口の近くに冷却剤があった場合、それはその拡散速度にどのように影響するでしょうか？それはクーラントの性質と温度に依存するだろう

  質問＃2への答え

  Cは正しいです。 るつぼの口に冷却剤が存在すると、ヨウ素ガスの温度が低下する。 これは拡散速度を低下させる。

  3. これらの声明のどれが真実ではありませんか？
  A.大きな極性分子は生物膜を横切って拡散することはできません
  B. 二酸化炭素は臭素ガスよりも速く拡散する
  c.拡散を容易にするインテグラル膜タンパク質は、その貨物について非常に特異的である
  D.上記のすべて

  質問#3への答え

  Aは正しい。 極性分子は膜を横切って拡散することができるが、それらは膜貫通チャネルまたはタンパク質の存在を必要とする。 二酸化炭素は臭素よりも軽く、したがってより迅速に拡散する。
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