분자 확산

Molecular diffusion
이 기사는 질량의 자발적 분산에 관한 것이다.확산에 대한 보다 일반적인 설명은 확산을 참조하십시오.
미시적이고 거시적인 관점에서 확산.처음에는 장벽(보라색 선) 왼쪽에 용질 분자가 있고 오른쪽에 용질 분자가 없습니다.장벽이 제거되고 용질이 확산되어 용기 전체를 채웁니다.상단: 단일 분자가 무작위로 움직입니다.중간:분자가 많을수록 용질이 점점 더 균등하게 용기를 채우는 경향이 뚜렷하다.하단:엄청난 수의 용질 분자가 있으면 모든 무작위성은 사라집니다.용질은 Fick의 법칙에 따라 고농도 영역에서 저농도 영역으로 원활하고 체계적으로 이동하는 것으로 보입니다.

흔히 확산이라고 불리는 분자 확산은 절대 영도 이상의 온도에서 모든 (액체 또는 기체) 입자의 열 운동이다.이 이동 속도는 온도, 유체의 점도 및 입자의 크기(질량)의 함수입니다.확산은 고농도 영역에서 저농도 영역으로의 분자의 순유속을 설명한다.일단 농도가 같으면 분자는 계속 움직이지만, 농도 구배가 없기 때문에 분자 확산의 과정은 멈추고 대신 분자의 무작위 움직임에서 비롯된 자기 확산의 과정에 의해 지배된다.확산의 결과는 물질의 점진적인 혼합으로 분자의 분포가 균일해진다.분자들은 여전히 움직이고 있지만 평형이 확립되었기 때문에, 분자 확산의 결과는 "동적 균형"이라고 불립니다.균일한 온도, 입자에 작용하는 외부 순력이 없는 위상에서는 확산 과정은 결국 완전한 혼합으로 귀결됩니다.

같은 온도에서 입자를 교환할 수 있는 S와2 S의1 두 가지 시스템을 고려합니다.예를 들어1 μ2>μ(μ는 화학 퍼텐셜)와 같이 시스템의 퍼텐셜에 변화가 있으면 자연은 항상 낮은 에너지와 최대 엔트로피를 선호하기 때문에 S에서 S로 에너지1 흐름이 발생합니다2.

분자 확산은 전형적으로 Fick의 확산 법칙을 사용하여 수학적으로 묘사된다.

적용들

확산은 많은 물리학, 화학, 생물학 분야에서 근본적으로 중요하다.확산의 적용 예는 다음과 같습니다.

중요성

확산에 의한 두 물질의 혼합의 개략적 표현

확산은 운송 현상의 일부이다.대량 수송 메커니즘 중 분자 확산은 느린 것으로 알려져 있다.

생물학

세포 생물학에서, 확산은 세포 [1]내의 아미노산과 같은 필요한 물질들을 위한 주요한 운송 형태이다.물과 같은 용제의 반투과성 막을 통한 확산은 삼투과로 분류된다.

대사 및 호흡은 부분적으로 대량 또는 활성 과정과 더불어 확산에 의존합니다.예를 들어 포유류의 폐포에서는 폐포-모낭막을 가로지르는 부분압의 차이로 인해 산소가 혈액으로 확산되어 이산화탄소가 확산된다.폐에는 이러한 가스 교환 과정을 용이하게 하기 위해 넓은 표면적이 포함되어 있습니다.

트레이서, 자가 및 화학적 확산

방사성 동위원소 Na의 동위원소 추적기로 예시되는 자기 확산
물 속 염화나트륨의 화학적(고전적, Fick's 또는 Fickian) 확산의 예

기본적으로 두 가지 유형의 확산이 구별됩니다.

  • 트레이서 확산과 자기 확산은 농도(또는 화학 퍼텐셜) 구배가 없는 상태에서 일어나는 분자의 자발적 혼합입니다.이러한 유형의 확산은 동위원소 추적기를 사용하여 추적할 수 있으며, 따라서 이 이름이 붙여졌습니다.트레이서 확산은 보통 자기 확산과 동일한 것으로 가정한다(중요한 동위원소 효과가 없다고 가정).이 확산은 평형상태에서 일어날 수 있다.자기확산계수를 측정하기 위한 뛰어난 방법은 펄스장구배(PFG) NMR이며, 동위원소 트레이서가 필요하지 않다.이른바 NMR 스핀 에코 실험에서 이 기술은 핵 스핀 세차운동 단계를 사용하여 예를 들어 액체 상태의 물 분자와 같이 화학 및 물리적으로 완전히 동일한 종을 구별할 수 있다.물의 자기 확산 계수는 높은 정확도로 실험적으로 결정되었으며, 따라서 종종 다른 액체에 대한 측정의 기준값으로 사용된다.깨끗한 물의 자기 확산 계수는 25°C에서 2.299·10m−92·s−1, 4°[2]C에서 1.261·10m−92·s이다−1.
  • 화학적 확산은 농도(또는 화학적 잠재력) 구배에서 발생하며 질량의 순수송을 초래한다.이것은 확산 방정식으로 기술된 과정이다.이 확산은 항상 비평형 프로세스이며, 시스템 엔트로피를 증가시키고 시스템을 평형에 가깝게 합니다.

이 두 가지 유형의 확산에 대한 확산 계수는 화학적 확산에 대한 확산 계수가 2진수이기 때문에 일반적으로 다르고, 다른 확산 종의 이동 상관관계에 따른 영향을 포함한다.

비균형계

낮은 엔트로피(위)와 높은 엔트로피(아래)의 그림

화학적 확산은 순수송 과정이기 때문에, 그것이 일어나는 시스템은 평형 시스템이 아니다(즉, 아직 정지하지 않았다).고전적인 열역학에서의 많은 결과들은 비균형 시스템에 쉽게 적용되지 않는다.그러나 때때로 확산 과정이 시간에 따라 변화하지 않고 고전적인 결과가 국지적으로 적용될 수 있는 소위 준안정 상태가 발생한다.이름에서 알 수 있듯이, 시스템이 여전히 진화하고 있기 때문에 이 과정은 진정한 평형이 아니다.

불균형 유체 시스템은 Landau-Lifshitz 변동 유체 역학으로 성공적으로 모델링할 수 있습니다.이 이론적인 틀에서 확산은 분자 규모에서 거시적 [3]규모까지 차원이 다양한 변동에 기인한다.

화학적 확산은 시스템의 엔트로피를 증가시킨다. 즉, 확산은 자발적이고 돌이킬 수 없는 과정이다.입자는 확산에 의해 확산될 수 있지만 자발적으로 정렬되지 않습니다(새로운 화학 결합이 생성되지 않고 입자에 작용하는 외부 힘이 없는 경우 시스템에 대한 변화가 없음).

농도 의존형 "집합적" 확산

집단 확산은 많은 양의 입자의 확산이며, 대부분의 경우 용매 내에서 확산됩니다.

단일 입자의 확산인 갈색 운동과 달리 입자가 용매와 이상적인 혼합을 형성하지 않는 한 입자 간의 상호작용을 고려해야 할 수 있다(이상적 혼합 조건은 용매와 입자의 상호작용이 입자와 th의 상호작용과 동일한 경우).e 용제 분자 간의 상호작용. 이 경우, 용제 내부에서는 입자가 상호작용하지 않습니다.)

이상혼합일 경우 입자확산식은 참이며 확산계수 D는 입자확산식의 확산속도가 입자농도와 무관하다.다른 경우에는 용제 내 입자 간의 상호작용이 다음과 같은 영향을 미칩니다.

  • 입자 확산 방정식의 확산 계수 D는 농도에 의존하게 된다.입자 간의 매력적인 상호작용을 위해 농도가 증가함에 따라 확산 계수가 감소하는 경향이 있습니다.입자 간의 반발 상호작용의 경우 농도가 증가함에 따라 확산 계수가 증가하는 경향이 있습니다.
  • 입자 간의 매력적인 상호작용의 경우, 입자의 농도가 일정 역치 이상이면 입자가 합체하여 클러스터를 형성하는 경향을 보인다.이것은 침전 화학 반응과 같다(그리고 만약 확산 입자가 용액의 화학 분자라면, 그것은 침전이다.

기체의 분자 확산

정체된 유체 또는 층류 내 유체의 유체를 가로질러 물질의 수송은 분자 확산에 의해 일어난다.순수 가스 A 또는 B를 포함하는 칸막이로 분리된 두 개의 인접 구획을 예상할 수 있다.모든 분자의 무작위 이동은 일정 기간 후에 분자들이 원래 위치에서 멀리 떨어진 곳에서 발견되도록 일어납니다.분할이 제거되면 A의 일부 분자는 B가 점유하는 영역으로 이동하며, 이들의 수는 고려된 영역의 분자 수에 따라 달라집니다.동시에 B의 분자는 이전에 순수 A가 차지했던 섭생법으로 확산된다.마지막으로 완전한 혼합이 발생합니다.이 시점 이전에는 원래 구획과 결합하는 축(x)을 따라 A 농도의 점진적인 변화가 발생합니다.이 변동은 수학적으로 -dCA/dx로 표현되며, 여기서A C는 A의 농도입니다.음의 부호는 거리 x가 증가할수록 A의 농도가 감소하기 때문에 발생합니다.마찬가지로 가스 B의 농도 변동은 -dCB/dx이다.A, N의A 확산 속도는 농도 구배와 A의 분자가 x 방향으로 이동하는 평균 속도에 따라 달라집니다.이 관계는 픽의 법칙으로 표현된다.

{일괄 모션이 없는 경우에만 해당)

여기서 D는 평균 분자 속도에 비례하여 가스의 온도와 압력에 따라 달라지는 A에서 B까지의 확산도이다.확산률A N은 보통 단위 시간에서 단위 영역 전체에 확산되는 몰의 수로 표현됩니다.이는 열전달의 기본방정식과 마찬가지로 힘의 비율이 구동력, 즉 농도구배와 정비례함을 나타냅니다.

이 기본 방정식은 여러 가지 상황에 적용됩니다.dCA/dx 또는 dCB/dx가 시간에 따라 변화하지 않는 정상 상태 조건으로만 논의를 제한하여 등분자 역확산을 먼저 고려한다.

등분자 역확산

길이 dx의 요소에서 벌크 플로우가 발생하지 않는 경우, (유사한 몰 부피의) 두 개의 이상적인 가스 A 및 B의 확산 속도는 동일해야 하며, 반대인 A - B}=-이어야 합니다.

A의 부분 압력은 거리 dx에 걸쳐 dP만큼A 변화합니다.마찬가지로 B의 분압은 dP를B 변화시킨다.요소 전체에 걸쳐 총 압력 차이가 없으므로(벌크 흐름 없음),

이상적인 기체의 경우, 부분 압력은 다음 관계에 의해 몰 농도와 관련된다.

여기서A n은 볼륨 V에 포함된 가스 A의 몰 수입니다.몰 농도A C는 n/V이므로A

결과적으로, 기체 A의 경우,

여기서AB D는 B에서 A의 확산도입니다.유사하게,

따라서A dP/dx=-dPB/dx임을 고려하면 D=DBA=D임을AB 증명한다.만약 x에서1 A의 분압이A1 P이고2 x가A2 P라면, 위의 방정식의 적분은

가스 B의 역확산에도 같은 방정식을 도출할 수 있다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ Maton, Anthea; Jean Hopkins; Susan Johnson; David LaHart; Maryanna Quon Warner; Jill D. Wright (1997). Cells Building Blocks of Life. Upper Saddle River, New Jersey: Prentice Hall. pp. 66–67.
  2. ^ Holz, Manfred; Heil, Stefan R.; Sacco, Antonio (2000). "Temperature-dependent self-diffusion coefficients of water and six selected molecular liquids for calibration in accurate 1H NMR PFG measurements". Physical Chemistry Chemical Physics. Royal Society of Chemistry (RSC). 2 (20): 4740–4742. doi:10.1039/b005319h. ISSN 1463-9076.
  3. ^ Brogioli, Doriano; Vailati, Alberto (2000-12-22). "Diffusive mass transfer by nonequilibrium fluctuations: Fick's law revisited". Physical Review E. American Physical Society (APS). 63 (1): 012105. arXiv:cond-mat/0006163. doi:10.1103/physreve.63.012105. ISSN 1063-651X.

외부 링크

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