Diffusion Definition

Diffusion är en fysisk process som hänvisar till nettorörelsen av molekyler från en region med hög koncentration till en med lägre koncentration. Materialet som diffunderar kan vara en fast, flytande eller gas. På samma sätt kan mediet där diffusion sker också vara i ett av de tre fysiska tillstånden.

en av de viktigaste egenskaperna hos diffusion är rörelsen av molekyler längs koncentrationsgradienten. Även om detta kan underlättas av andra molekyler, involverar det inte direkt högenergimolekyler såsom adenosintrifosfat (ATP) eller guanosintrifosfat (GTP).

diffusionshastigheten beror på typen av interaktion mellan mediet och materialet. Till exempel sprids en gas mycket snabbt i en annan gas. Ett exempel på detta är hur den skadliga lukten av ammoniakgas sprider sig i luften. På samma sätt, om en behållare med flytande kväve läcker lite, skulle kvävgas som släpper ut snabbt diffundera ut i atmosfären. Samma gas skulle diffundera något långsammare i en vätska som vatten och långsammaste i ett fast ämne.

På samma sätt kommer två blandbara vätskor också att diffundera in i varandra för att bilda en enhetlig lösning. Till exempel, när vatten blandas med glycerol, diffunderar de två vätskorna radiellt i varandra. Detta kan till och med observeras visuellt genom tillsats av olika färgade färgämnen till var och en av vätskorna. Samma fenomen ses emellertid inte när oblandbara vätskor som bensin och vatten blandas ihop. Diffusion sker långsamt och endast över den lilla ytan av interaktion mellan de två vätskorna.

exempel på Diffusion

Diffusion är en viktig del av många biologiska och kemiska processer. I biologiska system sker diffusion vid varje ögonblick, över membran i varje cell såväl som genom kroppen.

till exempel är syre vid en högre koncentration inuti artärer och arterioler, jämfört med syrenivåerna i aktivt respirande celler. När blodet flyter in i kapillärer i muskeln eller levern, till exempel, finns det bara ett enda lager av celler som skiljer detta syre från hepatocyter eller skelettmuskelfibrer. Genom en process av passiv diffusion, utan aktiv involvering av någon annan molekyl, passerar syre genom kapillärmembranet och går in i celler.

celler använder syre i mitokondrierna för aerob andning, vilket genererar koldioxidgas som en biprodukt. Återigen, när koncentrationen av denna gas ökar i cellen, diffunderar den utåt mot kapillärer där kraften av flytande blod tar bort överflödig gas från vävnadsområdet. På detta sätt förblir kapillärerna vid en låg koldioxidkoncentration, vilket möjliggör en konstant rörelse av molekylen bort från celler.

detta exempel visar också att diffusionen av något material är oberoende av diffusionen av andra ämnen. När syre rör sig mot vävnader från kapillärer, kommer koldioxid in i blodomloppet.

i kemiska processer är diffusion ofta den centrala principen som driver många reaktioner. Som ett enkelt exempel kommer några kristaller av socker i ett glas vatten långsamt att lösas upp över tiden. Detta inträffar eftersom det finns en nettorörelse av sockermolekyler i vattenmediet. Även i stora industriella reaktioner, när två vätskor blandas ihop, leder diffusion reaktanterna tillsammans och gör att reaktionen kan gå smidigt. Till exempel är ett av de sätt på vilka polyester syntetiseras genom att blanda lämplig organisk syra och alkohol i sin flytande form. Reaktionen fortsätter när de två reaktanterna diffunderar mot varandra och genomgår en kemisk reaktion för att bilda estrar.

faktorer som påverkar Diffusion

Diffusion påverkas av temperatur, interaktionsområde, branthet i koncentrationsgradienten och partikelstorlek. Var och en av dessa faktorer, oberoende och kollektivt kan ändra hastigheten och omfattningen av diffusion.

temperatur

i vilket system som helst rör sig molekyler med en viss mängd kinetisk energi. Detta riktas vanligtvis inte på något speciellt sätt och kan verka slumpmässigt. När dessa molekyler kolliderar med varandra förändras rörelseriktningen såväl som förändringar i momentum och hastighet. Till exempel, om ett block av torris (koldioxid i fast form) placeras inuti en låda, kolliderar koldioxidmolekyler i mitten av blocket mestadels med varandra och hålls kvar i den fasta massan. Men för molekyler i periferin påverkar snabbt rörliga molekyler i luften också deras rörelse, så att de kan diffundera in i luften. Detta skapar en koncentrationsgradient, där koncentrationen av koldioxid gradvis minskar med avståndet från klumpen av torris.

med temperaturökning ökar den kinetiska energin hos alla partiklar i systemet. Detta ökar hastigheten vid vilken lösta och lösningsmedelsmolekyler rör sig och ökar kollisioner. Detta innebär att torrisen (eller till och med vanlig is) kommer att förångas snabbare på en varmare dag, helt enkelt för att varje molekyl rör sig med större energi och är mer benägna att snabbt undkomma gränserna för ett fast tillstånd.

interaktionsområde

för att förlänga exemplet ovan, om torrisblocket bryts i flera bitar, ökar området som interagerar med atmosfären omedelbart. Antalet molekyler som bara kolliderar med andra koldioxidpartiklar i torris minskar. Därför ökar diffusionshastigheten för gasen i luften också.

denna egenskap kan observeras ännu bättre om gasen har lukt eller färg. Till exempel, när jod sublimeras över en varm spis, lila rök börjar dyka upp och blanda med luft. Om sublimering utförs i en smal degel, diffunderar ångorna långsamt ut mot behållarens mun och försvinner sedan snabbt. Medan de är begränsade till den mindre ytan inom degeln förblir diffusionshastigheten låg.

detta ses också när två flytande reaktanter blandas med varandra. Omröring ökar interaktionsområdet mellan de två kemikalierna och gör att dessa molekyler kan diffundera mot varandra snabbare. Reaktionen fortsätter mot fullbordandet i en snabbare takt. På en liknande anteckning löses alla lösta ämnen som bryts i små bitar och rörs in i lösningsmedlet snabbt – en annan indikator på molekyler som diffunderar bättre när interaktionsområdet ökar.

branthet av koncentrationsgradienten

eftersom diffusion främst drivs av sannolikheten för att molekyler rör sig bort från ett område med högre mättnad, följer det omedelbart att när mediet (eller lösningsmedlet) har en mycket låg koncentration av det lösta ämnet är sannolikheten för att en molekyl diffunderar bort från det centrala området högre. Till exempel, i exemplet om diffusion av jodgas, om degeln placeras i en annan sluten behållare och jodkristaller upphettas under en längre tid, den hastighet med vilken den lila gasen verkar ’försvinna’ vid mynningen av degeln kommer att minska. Denna uppenbara avmattning beror på det faktum att den större behållaren med tiden börjar ha tillräckligt med jodgas för att en del av den kommer att röra sig ’bakåt’ mot degeln. Även om detta är slumpmässig icke-riktad rörelse, med en stor bulk, kan det skapa ett scenario där det inte finns någon nettorörelse av gas från behållaren.

partikelstorlek

vid varje given temperatur kommer diffusionen av en mindre partikel att vara snabbare än för en större molekyl. Detta är relaterat till både molekylens massa och dess yta. En tyngre molekyl med en större yta diffunderar långsamt, medan mindre, lättare partiklar diffunderar snabbare. Till exempel, medan syrgas diffunderar något snabbare än koldioxid, kommer båda att röra sig snabbare än jodgas.

Diffusionsfunktioner

Diffusion i människokroppen är nödvändig för absorption av digererade näringsämnen, gasutbyte, spridning av nervimpulser, rörelse av hormoner och andra metaboliter mot deras målorgan och för nästan varje händelse i embryonal utveckling.

typer av Diffusion

Diffusion kan antingen vara enkel diffusion och underlättas av en annan molekyl

enkel Diffusion

enkel diffusion är bara rörelsen av molekyler längs deras koncentrationsgradient utan direkt involvering av andra molekyler. Det kan innebära antingen spridning av ett material genom ett medium eller transport av en partikel över ett membran. Alla ovanstående exempel var fall av enkel diffusion.

bilden är en enkel representation av diffusionen av en partikel i ett annat medium.

enkel diffusion är relevant i kemiska reaktioner, i många fysiska fenomen, och kan till och med påverka globala vädermönster och geologiska händelser. I de flesta biologiska system sker diffusion över ett halvgenomsläppligt membran tillverkat av ett lipid-dubbelskikt. Membranet har porer och öppningar för att möjliggöra passage av specifika molekyler.

underlättad Diffusion

å andra sidan kräver underlättad diffusion, som termen indikerar, närvaron av en annan molekyl (facilitatorn) för att diffusion ska inträffa. Underlättad diffusion är nödvändig för rörelse av stora eller polära molekyler över det hydrofoba lipid-dubbelskiktet. Underlättad diffusion är nödvändig för de biokemiska processerna i varje cell eftersom det finns kommunikation mellan olika subcellulära organeller. Som ett exempel, medan gaser och små molekyler som metan eller vatten kan diffundera fritt över ett plasmamembran, behöver större laddade molekyler som kolhydrater eller nukleinsyror hjälp av transmembranproteiner som bildar porer eller kanaler.

bilden visar rörelsen av en olöslig molekyl från det extracellulära utrymmet mot cytoplasman.

eftersom de är relativt stora öppningar i plasmamembranet har dessa integrerade membranproteiner också hög specificitet. Till exempel har kanalproteinet som transporterar kaliumjoner en mycket högre affinitet för den Jonen än en mycket liknande natriumjon, med nästan samma storlek och laddning.

• koncentrationsgradient – gradvis minskning av koncentrationen av ett ämne, ofta ett löst ämne i en lösning. Inom levande system ses denna gradient vanligtvis på två sidor av ett halvpermeabelt lipidmembran.
• hepatocyter-celler i leverns inre parenkymala region, som utgör en stor del av levermassan. Involverad i matsmältning och metabolism av proteiner, lipider och kolhydrater. De spelar också en avgörande roll vid avgiftning av kroppen.
• Integral membranprotein-proteiner som spänner över ett membrans bredd och är viktiga strukturella och funktionella delar av biologiska membran.
• sublimering-omvandlingen av ett material i sin fasta fas direkt till gasformigt tillstånd, utan en mellanliggande övergång till flytande tillstånd.

frågesport

1. Vilka av dessa uttalanden om diffusion av molekyler är sanna?
A. Underlättad diffusion drivs helt av GTP-hydrolys
B. behöver aldrig närvaron av någon annan molekyl
C. Diffusion av varje molekyl är beroende av dess koncentrationsgradient och oberoende av koncentrationen av andra molekylära arter i mediet
D. alla ovanstående

2. Om det fanns ett kylmedel nära munnen av en smältdegel uppvärmning jod hur skulle det påverka dess diffusionshastighet?
A. skulle förbli oförändrad
B. öka
C. minska
D. Det beror på kylvätskans natur och temperatur

3. Vilket av dessa uttalanden är inte sant?
A. stora polära molekyler kan inte diffundera över ett biologiskt membran
B. Koldioxid skulle diffundera snabbare än bromgas
C. integrerade membranproteiner som underlättar diffusion är mycket specifika om deras Last
D. alla ovanstående

• Mehrer, H. och Stolwijk, N. A. (2005). ”Hjältar och höjdpunkter i Diffusionshistorien”. Diffusion Fundamentals 2, 1.1-1.10.
• Philibert, J. (2009). ”Ett och ett halvt sekel av Diffusion: Fick, Einstein, före och bortom”. Diffusion Fundamentals 11 (1):1-32.
• Spaeth, E. E. och Friedlander, S. K. (1967). ”Diffusion av syre, koldioxid och Inert Gas i Strömmande blod”. Biophys J. 7 (6): 827-851.