Brownovo gibanje je nasumino gibanje estica koje su
Brownovo gibanje je nasumično gibanje čestica koje su mnogo veće nego atomi i obične molekule, ali premalene da bi bile vidljive golim okom u nekom fluidu, kao primjerice gibanje čestica dima u zraku ili peludnih čestica u vodi. Škotski botaničar Robert Brown otkrio je oko 1820. s pomoću mikroskopa da se čestice peluda raspršene u tekućini neprekidno nasumce gibaju amo-tamo. Ta je pojava po njemu nazvana Brownovo gibanje. Ona je izravan dokaz molekularno-kinetičke teorije. Prema toj teoriji molekule fluida neprestano se nasumce gibaju, udaraju u čestice koje se vide mikroskopom i potiskuju ih amo-tamo. Konačan rezultat sudara s molekulama fluida gibanje je čestice po izlomljenoj crti. Što su veće te čestice, manja je razlika između broja molekula koje su se sudarile s česticama s pojedinih strana i to se manje ističe njihovo Brownovo gibanje. Ono se i ne opaža za čestice dovoljno velike da se vide golim okom. Promjer čestica koje pokazuju intenzivno Brownovo gibanje je oko 10– 7 do 10– 6 metara, što je približno tisuću puta više od promjera molekula. Teoriju Brownova gibanja razvio je Albert Einstein 1905. Godine 1908. Jean Baptiste Perrin pokusom s pomoću Brownova gibanja odredio je vrijednost Avogadrovog broja i tim pokusima potvrdio atomsku građu tvari.
Difuzija
Difuzija (lat. diffusio: širenje, rasprostiranje, raspršenje) je prijenos kemijskih tvari u plinovima, kapljevinama i čvrstim tvarima. Nastaje zbog razlike u koncentracijama koje se spontanim toplinskim gibanjem čestica izjednačuju. Za razliku od plinova i kapljevina, gdje toplinsko gibanje čestica (molekula, iona, koloidnih čestica) uzrokuje međusobno miješanje dviju ili više tvari, u čvrstim tvarima atomi i ioni difuzijom mijenjaju mjesta u kristalnoj rešetki. Difuzija je najbrža u plinovima, sporija u kapljevinama, a najsporija u čvrstim tvarima. Brzina difuzije neke tvari u danom smjeru proporcionalna je njezinu koncentracijskom gradijentu (1. Fickov zakon difuzije), a općenito se povećava s porastom temperature (jer se čestice gibaju brže) i smanjuje s porastom gustoće. Kapljevine različitih molekularnih masa koje se međusobno mogu miješati (na primjer voda i alkohol) difundirat će jedna u drugu.
Ioni ili molekule čvrstih tvari otopljenih u otapalu (na primjer sol ili šećer u vodi) difundirat će dok se ne postigne njihova jednolika koncentracija u otopini. Dva metala u dodiru pokazuju malu ali jasnu težnju međusobne difuzije. Difuzija je moguća i kroz polupropusnu membranu, na primjer pri osmozi i dijalizi. Difuzija je vrlo važna za odvijanje mnogih bioloških (osmoza) i kemijskih reakcija. Brzina kemijske reakcije često je određena brzinom difuzije reagirajućih čestica, posebno u reakcijama čvrstih tvari. Na difuziji se temelje i mnoge tehnološke operacije, proizvodnja elektroničkih elemenata u mikroelektronici i poluvodičkoj tehnici, promjenom svojstava površinskih slojeva u metalurgiji, djelovanje difuzijskih vakuumskih sisaljki i drugo.
Bitno je napomenuti da je difuzija miješanje kemijskih tvari bez ikakvog vanjskog utjecaja. Ta se pojava zbiva uslijed gibanja molekula, koje zbog svoje brzine prodiru u susjedne tvari. Na primjer ako u epruvetu ulijemo otopinu modre galice Cu. SO 4, a iznad nje nalijemo vodu, te epruvetu pustimo neko vrijeme na miru, vidjet ćemo da će otopina modre galice, i ako je teža od vode, prodirati u vodu. U tehnici se difuzija iskorišćuje za odjeljivanje plinova različitih molekularnih masa, a isto tako i za dobivanje izotopa. Plinovi vrše difuziju, to jest difundiraju u krute tvari, pa se ta difuzija naziva adsorpcija. Difuzija plinova u tekućine naziva se apsorpcija. Apsorpcija se primjenjuje za postizavanje vakuuma u elektronskim cijevima. Pokusi su pokazali da je količina apsorbiranog plina u tekućini to veća što je veći tlak iznad tekućine i što je niža temperatura tekućine.
Fickovi zakoni difuzije čestica • Prvi Fickov zakon • daje ovisnost toka čestica N o gradijentu koncentracije dc/dx, a D je koeficijent difuzije, ovisan o vrsti čestica koje se gibaju i sredstvu u kojem se difuzija odvija. • Drugi Fickov zakon • daje ovisnost promjene koncentracije čestica s vremenom o drugoj derivaciji koncentracije po koordinati u smjeru koje se proces difuzije odvija.
Osmoza
• Osmoza (prema grč. ὠσμός: guranje, tiskanje) je difuzija kojom se izjednačuju koncentracija u otopini i otapalu, odnosno koncentracije dviju otopina različitih koncentracija, međusobno odijeljenih polupropusnom membranom, to jest takvom koja propušta otapalo, ali zaustavlja otopljenu tvar. U novonastaloj otopini, odnosno u otopini veće koncentracije, nastaje pri osmozi povišenje tlaka koje se naziva osmotski tlak; njegova je jačina proporcionalna koncentraciji otopine. Osmoza se javlja u biljnim i životinjskim organizmima, gdje stanične membrane imaju svojstvo polupropusnosti, a postoji razlika u koncentraciji otopine unutar i izvan stanice.
Mehanizam osmoze Osmoza je proces u kojem polupropusna membrana odvaja dvije otopine različitih koncentracija. Polupropusna membrana propušta molekule otapala dok ne propušta čestice otopljenih tvari (ione ili molekule). Molekule otapala se zbog razlike u koncentracijama otopina gibaju s mjesta manje koncentracije prema mjestu veće koncentracije. Proces ima težnju odvijanja sve do izjednačenja koncentracija s obje strane membrane; manje koncentrirana otopina postaje koncentriranija, više koncentriranoj otopini se smanjuje koncentracija. Pojava se može najjednostavnije objasniti kinetičkom teorijom i činjenicom da na strani otopine s manjom koncentracijom otopljenih tvari ima više molekula otapala (vode) koje zato prelaze na stranu s manje molekula otapala.
Mehanizam osmoze Pri prolasku molekula otapala kroz membranu dolazi do porasta volumena otopine na jednoj strani membrane i smanjenja volumena otopine na drugoj strani. Porast volumena otopine na jednoj strani stvara hidrostatski tlak koji se suprotstavlja osmozi, to jest osmotskom tlaku koji djeluje na membranu. Kada se ova dva tlaka izjednače, uspostavit će se dinamična ravnoteža, to jest više neće doći do podizanja razine otopine, dok molekule otapala i dalje prolaze kroz membranu ali u oba smjera jednako intenzivno. Tlak pri kome se uspostavlja ova ravnoteža naziva se efektivni osmotski tlak. Osmotski je tlak veći što je razlika koncentracija otopina veća, i obrnuto. Molekule otapala se gibaju iz otopine s nižom (hipotonična otopina) u otopinu s višom koncentracijom otopljene tvari (hipertonična otopina). Osmozu možemo promatrati kao poseban slučaj difuzije. Osmolaritet je relativna koncentracija otopljene tvari u sredini u kojoj se nađe stanica.
Povratna osmoza • Povratna osmoza, obrnuta osmoza ili reverzna osmoza je metoda koja služi za dobivanje pitke vode iz slane vode. Postupak koristi polupropusnu membranu kroz koju prolazi čista voda a zaostaju soli. Tlak slane vode mora biti oko 25 bar, što ovu metodu čini skupom za proizvodnju većih količina svježe vode. Kloridi, amonijak i ugljikov dioksid su male molekule pa prolaze polupropusnu membranu, te ih treba naknadno ukloniti aktivnim ugljenom. Neke bakterije i virusi takoder prolaze polupropusnu membranu, pa i njih treba dezinficirati (kloriranje, ozon, UV svjetiljka, sunčeva dezinfekcija). • Povratna osmoza ili reverzna osmoza je skoro savršen proces filtriranja vode. Ovaj proces omogućuje odstranjivanje najsitnijih čestica iz vode. Povratna osmoza se koristi za pročišćavanje vode i odstranjivanje neorganskih minerala, soli i ostalih nečistoća u cilju poboljšanja izgleda, ukusa i ostalih svojstava vode. Tako se dobija kvalitet voda za piće koji zadovoljava sve standarde voda za piće.
Prikaz rada povratne osmoze kod desalinizacije morske vode korištenjem izmjenjivača tlaka: 1: Ulaz morske vode, 2: Izlaz slatke vode (40%), 3: Otpadna voda (60%), 4: Protok morske vode (60%), 5: Koncentrirani odvod (gušći od morske vode), A: Protočna crpka (40%), B: Protočna crpka, C: Uređaj za povratnu osmozu s polupropusnom membranom, D: Izmjenjivač tlaka.
Stanična osmoza Osmoza u stanici nastupa zbog razlike u osmolaritetu citoplazme s unutrašnje, i otopine s vanjske strane membrane, što dovodi do smežuravanja ili bubrenja stanice. Češća pojava bubrenja i lize stanice nastupa zbog veće koncentracije otopljenih iona i malih organskih molekula u stanici, zbog čega je ona hipertonična u odnosu na svoju okolinu, pa voda ulazi u stanicu. Stanice se problemu visokog osmolariteta prilagođavaju, ovisno o carstvu kojem pojedini organizam pripada: – Stanice biljaka, alga, gljiva, i većine bakterija obavijene sustaničnom stijenkom koja je dovoljno čvrsta da spriječi rasprsnuće stanice u hiptonočnoj otopini. U njima se, uslijed ulaska vode, stvara turgorski tlak koji onu količinu vode koja uđe tjera van, pa su biljna tkiva iznimno jaka. U hipetoničnoj otopini izlazak vode uzrokuje odvajanje membrane od stanične stijenke, te dovodi do procesa plazmolize i uvenuća biljke. – Životinjske stanice problem osmolariteta rješavaju aktivnim izbacivanjem anorganskih iona i smanjivanjem razlike u koncentracijama otopljenih tvari (prvenstveno natrija) između stanice i njezine okoline (natrij-kalijeva crpka ili Na|K crpka). Pri tome troše značajne količine energije.
- Slides: 18