Diffuusio määritelmä selitys esimerkit ja diffuusionopeus

Diffuusio on aineen molekyylien satunnaisten liikkeiden aiheuttama prosessi, jossa molekyylit siirtyvät korkean konsentraation alueelta matalamman konsentraation alueelle, kunnes pitoisuudet tasoittuvat ja tasapaino saavutetaan. Diffuusio perustuu lämpöliikkeeseen (Brownin liikkeeseen) eikä vaadi solulta tai järjestelmältä ulkoista energiaa, siksi sitä kutsutaan passiiviseksi kuljetukseksi.

Diffuusio tapahtuu tyypillisesti kaasuissa ja nesteissä, mutta se voi ajan myötä tapahtua myös kiinteissä aineissa (esimerkiksi metallien seosaineiden diffuusio), vaikka siellä se on yleensä paljon hitaampaa. Arkiesimerkki diffuusiosta on esimerkiksi kun väri tai tuoksu leviää nesteessä tai ilmassa: hiukkaset törmäilevät ja siirtyvät kaikkiin suuntiin, kunnes pitoisuusero häviää.

Esimerkkejä

• Sokerikuutio jätetään hetkeksi vesilasiin: sokerimolekyylit liukenevat ja leviävät veteen, kunnes makeus tasoittuu.
• Ammoniakin haju leviää luokkahuoneen etuosasta huoneen takaosaan – hajumolekyylit diffundoituvat ilmakerroksessa.
• Pullosta nousee hajuveden höyryjä, kun korkki poistetaan; höyryt leviävät huoneilmaan.
• Ruoan väriaine, joka on pudotettu dekantterilasiin, leviää lasin sisällä näkyvästi.
• Ruoan tuoksu levisi koko taloon ruoanlaiton aikana.

Molekyyleillä on taipumus siirtyä korkean konsentraation paikoista matalan konsentraation paikkoihin liikkumalla satunnaisesti. Esimerkiksi keuhkoissa on enemmän happea kuin veressä, joten happimolekyylit pyrkivät siirtymään vereen. Vastaavasti veressä on enemmän hiilidioksidimolekyylejä kuin keuhkoissa, joten hiilidioksidi diffundoituu takaisin keuhkoihin ja poistuu uloshengityksessä. Solubiologiassa pienet molekyylit voivat diffundoitua suoraan solukalvon läpi, mutta suuremmat molekyylit tarvitsevat usein kantajaproteiineja tai energiaa käyttävää kuljetusta (katso aktiivinen kuljetus).

Diffuusionopeus

Diffuusionopeuteen vaikuttavat useat tekijät:

• Konsentraatiogradientti: Mitä jyrkempi pitoisuusgradientti (pitoisuusero), sitä suurempi netto-diffuusiovirtaus.
• Lämpötila: Korkeampi lämpötila lisää molekyylien liike-energiaa ja nopeuttaa diffuusiota.
• Pinta-ala: Suurempi rajapinta (esim. kapillaarinen pinta tai kalvon pinta) mahdollistaa enemmän virtausta ajan yksikköä kohden.
• Diffuusioetäisyys: Lyhyemmillä etäisyyksillä diffuusio toimii tehokkaammin; diffuusion kesto kasvaa etäisyyden neliössä.
• Keskustan viskositeetti ja väliaineen ominaisuudet: Paksu tai viskoosi väliaine hidastaa liikettä, kun taas harva kaasumainen väliaine edistää sitä.
• Hiukkasen koko ja muoto: Pienemmät hiukkaset diffundoituvat yleensä nopeammin.
• Porousuus ja esteet: Kalvot, solurakenteet tai huokoset voivat rajoittaa tai ohjata diffuusiota.

Diffuusion kvantitatiivinen kuvaus tehdään usein Fickin lakien avulla. Fickin ensimmäisen lain yksinkertainen muoto ilmaistaan yhtälöllä:

J = -D · (dC/dx)

missä J on diffuusiovirtaus (määrä pinta-alaa kohti ajan yksikkönä), D on diffuusiokerroin (diffuusiivisuus) ja dC/dx on pitoisuusgradientti. Aikaskaalaan arvioimiseksi käytetään usein likiarvoa:

t ≈ x² / (2D)

missä t on aika, x on diffuusiomatka ja D diffuusiokerroin. Tämä osoittaa miksi diffuusio on tehokas vain lyhyillä etäisyyksillä.

Diffuusiokerroin D riippuu lämpötilasta, väliaineen viskositeetista ja partikkelin koosta. Yksi malli, joka yhdistää nämä tekijät, on Stokes–Einsteinin yhtälö pienille pyöriville hiukkasille nesteessä:

D = kT / (6π η r)

missä k on Boltzmannin vakio, T lämpötila kelvineinä, η nesteen dynamiikkaviskositeetti ja r hiukkasen säde.

Pinta-ala ja tilavuus

Pienissä yksisoluisissa eliöissä yksinkertainen diffuusio voi vaihtaa aineita riittävän nopeasti pitääkseen solun elossa, koska niiden koko on pieni ja pinta-alan suhde tilavuuteen on suuri. Suuri pinta-alan ja tilavuuden suhde (surface-area-to-volume ratio) auttaa nopeassa aineiden vaihdossa.

Monisoluisissa organismeissa pelkkä diffuusio ei kuitenkaan yleensä riitä, koska aineita täytyy siirtää pidemmillä etäisyyksillä ja suurempia määriä. Niissä on kehittynyt erikoistuneita rakenteita ja järjestelmiä nopeuttamaan aineiden siirtoa: ihmisillä on keuhkot ja verenkierto elimien väliseen kuljetukseen, ja kasveilla lehdet ja johtojärjestelmä (putkilokudos). Nämä rakenteet lisäävät tehokasta pinta-alaa tai vähentävät diffuusiomatkaa.

Lisää huomioita

• Facilitated diffusion (helpotettu diffuusio): Solukalvon kantajaproteiinit ja ionikanavat voivat nopeuttaa tiettyjen molekyylien kulkua kalvon läpi ilman energian kulutusta, mutta selektiivisesti.
• Osmosis: Suodattuminen veden diffuusion avulla puoliläpäisevän kalvon yli on osmoosi, joka liittyy usein solujen neste tasapainoon.
• Diffuusio kiinteissä aineissa: Vaikka hitaampaa, atomien ja ioneiden diffuusio kiinteissä faaseissa on tärkeää materiaalitieteissä ja metallurgiaan liittyvissä prosesseissa.
• Biologinen merkitys: Diffuusio on keskeinen perusmekanismi ravinteiden, kaasujen ja huuhteiden liikkumisessa soluissa ja kudoksissa; se asettaa rajoituksia organismin koon ja rakenteen evoluutiolle.

Yhteenvetona: diffuusio on luonnollinen, satunnaisiin liikkeisiin perustuva ja yleensä energiaa kuluttamaton prosessi, joka tasoittaa pitoisuuseroja. Sen nopeus riippuu useista tekijöistä, ja sen tehokkuus rajoittuu lyhyisiin etäisyyksiin ilman erikoisrakenteita tai kuljetusjärjestelmiä.

Kysymyksiä ja vastauksia

K: Mitä on diffuusio?

K: Millaisissa materiaaleissa diffuusio yleensä tapahtuu?

K: Miten voimme havaita diffuusion?

K: Mitä diffuusio kuvaa?

K: Onko hiukkasilla jokin tietty suunta, johon ne liikkuvat diffuusion aikana?

K: Pysähtyykö hiukkasten liike tasapainon saavuttamisen jälkeen?

K: Onko tästä prosessista olemassa poikkeuksia?

Hae kirjaimella