ДИФФУЗИЯ

ДИФФУЗИЯ (лат. diffusio распространение, растекание) — процесс самопроизвольного взаимного проникновения соприкасающихся веществ друг в друга за счет теплового движения частиц вещества. Диффузия происходит в направлении падения концентрации вещества и ведет к равномерному распределению веществ по всему занимаемому ими объему. В биологических объектах Диффузия является основным процессом, обеспечивающим направленный поток вещества во время жизнедеятельности организма (поступление газов, воды, минеральных солей и т. д.). У человека в основном за счет Диффузии происходит газообмен в легких и тканях (см. Биоэлектрические потенциалы) и другие процессы жизнедеятельности. Диффузия играет важную роль в химической кинетике и технологических процессах (адсорбции, цементации, диффузионной сварке, диффузионной металлизации и др.).

Диффузия происходит в газах, жидкостях и твердых телах; диффундировать могут как находящиеся в них посторонние частицы (гетеродиффузия), так и собственные частицы (самодиффузия). Скорость Д. зависит от многих факторов: плотности и вязкости среды, температуры, природы диффундирующих частиц, воздействия разного рода внешних сил и т. д. Наиболее быстро Д. происходит в газах, медленнее в жидкостях и еще медленнее в твердых телах, что определяется характером теплового движения частиц в этих средах.

Для характеристики Д. используют коэффициент диффузии D, равный количеству продиффундировавшего вещества через единицу поверхности за единицу времени при градиенте концентрации, равном единице. Хотя частица движется по ломаной линии и движение происходит случайным образом, средний квадрат смещения (L^-2) за большое число столкновений растет пропорционально времени (t). Коэффициент пропорциональности D в соотношении L^-2~Dt и является коэффициентом Д. Соотношение было выведено Эйнштейном (A. Einstein) и справедливо для Д. в любых средах. Коэффициент Д. обратно пропорционален давлению газа и увеличивается с возрастанием температуры. С увеличением молекулярной массы диффундирующего вещества Д. уменьшается.

Диффузия в газах. Каждая частица газа движется по ломаной траектории, т. к. при столкновении частицы меняют направление и скорость движения. В силу этого скорость поступательного движения гораздо меньше скорости свободного движения молекул (так, скорость распространения запахов намного меньше скорости движения молекул пахучих веществ).

Диффузия в жидкостях рассматривается как движение с трением; для анализа применяют второе соотношение Эйнштейна: D ~ kut, где k — постоянная Больцмана, численно равная 1,38•10^-16 эрг/град, u — подвижность диффундирующих частиц; при движении сферических частиц u = 1/6 πηr где η — коэффициент вязкости жидкости, r — радиус частиц. Коэффициент Д. жидкости увеличивается при повышении температуры жидкости. В жидких р-рах Д. молекул растворителя через полупроницаемые мембраны приводит к возникновению Диализ).

Диффузия в твердых телах осуществляется за счет обмена местами атомов с незанятыми узлами кристаллической решетки (вакансиями), прямого обмена двух соседних атомов, одновременного циклического перемещения нескольких атомов, движения атомов и ионов через междоузлия кристаллической решетки и т. д. Коэффициент Д. в твердых телах в большой степени зависит от дефектов кристаллической структуры, возникающих при нагреве, деформациях, напряжениях и других воздействиях. Так, коэффициент Д. цинка в медь при повышении температуры с 20 до 300° возрастает в 1014 раз.

В полимерах Д. происходит за счет теплового движения молекул полимера или их отдельных участков. На этом свойстве основано явление адгезии (слипание) полимеров. Диффундировать в полимерных материалах могут и частицы посторонних веществ. Так, газопроницаемость полимерных пленок является результатом последовательно протекающих процессов: растворение газа в пограничном слое пленки, Д. растворенного вещества через полимер и выделение молекул газа с другой стороны пленки. Газопроницаемость полимерных материалов зависит от гибкости цепных макромолекул, от физ. состояния полимера, от природы диффундирующих частиц. При кристаллизации, поперечном «сшивании» молекул (вулканизации) с ростом межмолекулярных сил и плотности упаковки газопроницаемость уменьшается.

Д. низкомолекулярных веществ через полимерную пленку осуществляется аналогично. Коллоидные вещества слабо диффундируют, а коллоидные р-ры почти не обнаруживают способности к Д. В то же время Д. низкомолекулярных веществ в коллоидных р-рах низкой концентрации почти не отличается от Д. в чистом растворителе. С увеличением концентрации коллоидного р-ра скорость Д. в нем низкомолекулярных веществ снижается. Д. в гелях зависит от концентрации и природы структурообразующего вещества и от природы и строения частичек диффундирующего вещества.

Единица коэффициента Д. в Международной системе единиц (СИ) — м²/сек, единица потока Д. — 1/м²•сек или кг/м²•сек.

Диффузионный поток. На практике существенное значение имеет не Д. отдельных частиц, а поток вещества, движущийся в сторону меньшей концентрации (диффузионный поток). Диффузионный поток (J) выражается через разность частиц, пересекающих единицу площади в прямом и обратном направлении за единицу времени (закон Фика): j = dm = —DS((C1-C2)/(X1-X2))dt = — DS(dC/dx)dt, где dm — количество частиц вещества, диффундирующих за время dt при градиенте концентрации dC/dx, D — коэффициент диффузии; знак минус указывает, что перемещение происходит в направлении убыли концентрации частиц. Для биол, систем коэффициент Д. заменяют коэффициентом проницаемости P~ -D/dx , представляющим собой количество проникающих частиц через единичную площадку мембраны за единицу времени при разности концентраций по обе стороны, равной единице (см. Проницаемость).

Диффузия в биологических системах

Д. играет важную роль в биологич. системах, обеспечивая поступление газов, воды, минеральных веществ в ткани растений и животных. За счет Д. происходят процессы газообмена в легких и тканях, обмена воды и солей в почках, всасывание продуктов пищеварения из кишечника, генерирование потенциала действия в нервных и мышечных клетках, перенос молекул медиатора в синапсах, перемещение веществ внутри клетки и т. д. Расчет диффузионных потоков растворенных веществ через мембраны клеток проводят по уравнению Фика, в к-ром коэффициент Д. заменен на коэффициент проницаемости; по уравнению Фика расчитывают Д. газов и воды, заменяя при этом разность концентраций значениями разности давления газов или осмотического давления по обе стороны мембраны клетки. В большинстве случаев скорость Д. через мембраны меньше скорости свободной Д., что свойственно большинству молекул, имеющих средний размер или заряд, взаимодействующий с заряженной мембраной (большинство анионов)— ограниченная Д. В том случае, когда молекулы и ионы самостоятельно не могут проникать или слабо проникают через биол, мембраны, а при взаимодействии с нек-рыми веществами («переносчиками») их проницаемость увеличивается, говорят об облегченной Д. Такая Д. характерна для ряда сахаров, аминокислот и других органических соединений.

Конечная концентрация молекул или ионов в клетке и окружающей среде мало зависит от скорости их Д. через мембраны. Распределение ионов и молекул между клеткой и средой зависит от их хим. сродства к веществам цитоплазмы, сорбционных процессов, физ. растворения и других процессов, протекающих неодинаково в цитоплазме и окружающей клетку жидкости (см. фагоцитоза (см.).

Библиография:

Булл Г. Б. Физическая биохимия, пер. с англ., М., 1949, библиогр.;

Гиршфельдер Д., Кертисс Ч. и Берд Р. Молекулярная теория газов и жидкостей, пер. с англ., М., 1961; Пост X. Физиология клетки, пер. с англ., М., 1975; Никольский H. Н. и Трошин А. С. Транспорт сахаров через клеточные мембраны, Л., 1973, библиогр.; Франк-Каменецкий Д. А. Диффузия и теплопередача в химической кинетике, М., 1967; Ходоров Б. И. Проблема возбудимости, JI., 1969, библиогр.; Шьюмон П. Диффузия в твердых телах, пер. с англ., М., 1966.

В. П. Шмелев.