Меню

Что такое диффузия цвета



Диффузия: причины, особенности процесса, примеры в природе

Содержание:

Что такое диффузия?

Само слово «диффузия» латинского происхождения – «diffusio» в переводе с латыни означает «распространение, рассеивание». В физике под диффузией подразумевается процесс взаимопроникновения микрочастиц при соприкосновении разных материалов. Академическое определение того, что такое диффузия, звучит следующим образом: «Диффузия – это взаимное проникновение молекул одного вещества в межмолекулярные промежутки другого вещества вследствие их хаотичного движения и столкновения друг с другом». Какие свойства диффузии, причины ее возникновения, как проявляется этот процесс в разных веществах, об этом читайте далее.

Причины диффузии

Причиной возникновения диффузии является тепловое движение частиц (атомов, молекул, ионов и т. д.).

Чтобы более детально понять, как работают механизмы диффузии, рассмотрим это явление на конкретном примере. Если взять перманганат калия (в народе более известен как марганцовка) (KMnO4) и растворить в воде (H2O), то марганцовка в результате диссоциации распадется на K+ и MnO4-. Также важно заметить что молекула воды поляризирована и существует в виде сцепленных ионов H+ – OH-.

Из-за растворения марганцовки в воде произойдет хаотическое перемещение ионов обоих веществ, вследствие чего сцепленные ионы воды поменяют свой цвет и освободят место для других, еще не реагировавших ионов. Вода поменяет свой окрас и получит специфические свойства. Между водой и марганцовкой совершится диффузия.

Вот так этот процесс выглядит схематически.

Причем движимые частицы во время диффузии, всегда распространяются равномерно по всему предоставленному объему. Сам процесс диффузии занимает определенное время.

Также важно знать, что явление диффузии происходит далеко не со всеми веществами. Например, если воду перемешать не с марганцовкой, а с маслом, то диффузии между ними не будет, так как молекулы масла электрически нейтральны. Образованию какого-то соединения с молекулами воды помешают сильные связи внутри молекулы масла.

Еще стоит заметить, что скорость диффузии значительно увеличится при увеличении температуры, что вполне логично, ведь с увеличением температуры возрастет скорость движения частиц внутри вещества и как следствие, повышается шанс их проникновения в молекулы другого вещества.

Формула диффузии

Процесс диффузии в двухкомпонентной системе записывается при помощи закона Фика, и соответствующего уравнения:

В этом уравнении J – плотность материала, D – коэффициент диффузии, а ac/dx – градиент концентрации двух веществ.

Коэффициентом диффузии называют физическую величину, которая численно равна количеству диффундирующего вещества, которое проникает за единицу времени через единицу поверхности, если разность плотностей на двух поверхностях, находящихся на расстоянии равном единице длины, равна единице. Важно заметить, что коэффициент диффузии зависит от температуры.

Диффузия в твердых телах

В твердых телах диффузия происходит очень медленно, если вообще происходит. Ведь для твердых тел характерно наличие кристаллической решетки, а все частицы расположены упорядочено.

Примером диффузии твердых тел может быть золото и свинец. Расположенные на расстояние 1 метра друг от друга, при комнатной температуре в 20 С, эти вещества будут понемногу проникать друг в друга, но будет это все идти очень медленно, подобная диффузия станет заметной не ранее чем через 4-5 лет.

Диффузия в жидкостях

Скорость протекания диффузии в жидкостях в разы выше, нежели в твердых телах. Связи между частицами в жидкости гораздо слабее (обычно их энергии хватает максимум на образование капель), и взаимному проникновению частиц в молекулы двух веществ ничто не мешает.

Правда то, как быстро будет проходить диффузия, зависит от характера и консистенции жидкостей, в более густых растворах она происходит медленнее, ведь чем гуще жидкость, тем более сильные в ней связи между молекулами и тем труднее молекулам и частицам проникать друг в друга. Например, смешивание двух жидких металлов может занять несколько часов, в то время как смешивание воды и марганцовки (из примера выше) осуществляется за минуту.

Диффузия в газах

В газах диффузия происходит еще быстрее, чем в жидкости, связи между частицами газообразных веществ практически отсутствуют, и никак не сцепленные частицы легко перемешиваются друг с другом, проникая в молекулы других газов. Небольшие коррективы при диффузии газов может вносить разве только гравитация.

Примеры диффузии в окружающем мире

  • поддерживается однородный состав атмосферного воздуха вблизи поверхности нашей планеты,
  • происходит питание растений,
  • осуществляется дыхание человека и животных.

Значимый биологический процесс – фотосинтез осуществляется, в том числе и при помощи диффузии: как мы знаем, благодаря энергии солнечного света вода разлагается хлорофиллами на составляющие, кислород, который выделяется при этом, попадает в атмосферу и поглощается всеми живыми организмами. Так вот, и сам процесс поглощения кислорода человеком и животными, и обмен веществ у растений, все это поддерживается диффузией, без которой не могла бы существовать сама Жизнь.

Но это в глобальном плане, в более простых вещах, мы можем наблюдать диффузию:

  • В саду, где цветы источают свой аромат благодаря диффузии (их частицы перемешиваются с частицами окружающего воздуха).
  • Растворяя сахар в чае или кофе, чай или кофе становится сладким благодаря диффузии.
  • При резке лука у вас начнут слезиться глаза, происходит это тоже по причине диффузии, молекулы лука смешиваются с молекулами воздуха и ваши глаза на это реагируют.
Читайте также:  Если месячные черного цвета это нормально

Таких примером можно приводить еще много.

Диффузия, видео

И в завершение образовательное видео по теме нашей статьи.

Автор: Павел Чайка, главный редактор журнала Познавайка

При написании статьи старался сделать ее максимально интересной, полезной и качественной. Буду благодарен за любую обратную связь и конструктивную критику в виде комментариев к статье. Также Ваше пожелание/вопрос/предложение можете написать на мою почту pavelchaika1983@gmail.com или в Фейсбук, с уважением автор.

Эта статья доступна на английском языке – Diffusion.

Источник

Диффузия

Диффу́зия (лат. diffusio — распространение, растекание, рассеивание, взаимодействие) — процесс взаимного проникновения молекул одного вещества между молекулами другого, приводящий к самопроизвольному выравниванию их концентраций по всему занимаемому объёму [1] . В некоторых ситуациях одно из веществ уже имеет выравненную концентрацию и говорят о диффузии одного вещества в другом. При этом перенос вещества происходит из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией (по градиенту концентрации).

Примером диффузии может служить перемешивание газов (например, распространение запахов) или жидкостей (если в воду капнуть чернил, то жидкость через некоторое время станет равномерно окрашенной). Другой пример связан с твёрдым телом: атомы соприкасающихся металлов перемешиваются на границе соприкосновения. Важную роль диффузия частиц играет в физике плазмы.

Обычно под диффузией понимают процессы, сопровождающиеся переносом материи, однако иногда диффузионными называют также другие процессы переноса: теплопроводность, вязкое трение и т. п.

Скорость протекания диффузии зависит от многих факторов. Так, в случае металлического стержня тепловая диффузия проходит очень быстро. Если же стержень изготовлен из синтетического материала, тепловая диффузия протекает медленно. Диффузия молекул в общем случае протекает ещё медленнее. Например, если кусочек сахара опустить на дно стакана с водой и воду не перемешивать, то пройдёт несколько недель, прежде чем раствор станет однородным. Ещё медленнее происходит диффузия одного твёрдого вещества в другое. Например, если медь покрыть золотом, то будет происходить диффузия золота в медь, но при нормальных условиях (комнатная температура и атмосферное давление) золотосодержащий слой достигнет толщины в несколько микронов только через несколько тысяч лет.

Количественно описание процессов диффузии было дано немецким физиологом А. Фиком (англ.) в 1855 г.

Содержание

Общее описание

Все виды диффузии подчиняются одинаковым законам. Скорость диффузии пропорциональна площади поперечного сечения образца, а также разности концентраций, температур или зарядов (в случае относительно небольших величин этих параметров). Так, тепло будет в четыре раза быстрее распространяться через стержень диаметром в два сантиметра, чем через стержень диаметром в один сантиметр. Это тепло будет распространяться быстрее, если перепад температур на одном сантиметре будет 10 °C вместо 5 °C. Скорость диффузии пропорциональна также параметру, характеризующему конкретный материал. В случае тепловой диффузии этот параметр называется теплопроводность, в случае потока электрических зарядов — электропроводность. Количество вещества, которое диффундирует в течение определённого времени, и расстояние, проходимое диффундирующим веществом, пропорциональны квадратному корню времени диффузии.

Диффузия представляет собой процесс на молекулярном уровне и определяется случайным характером движения отдельных молекул. Скорость диффузии в связи с этим пропорциональна средней скорости молекул. В случае газов средняя скорость малых молекул больше, а именно она обратно пропорциональна квадратному корню из массы молекулы и растёт с повышением температуры. Диффузионные процессы в твёрдых телах при высоких температурах часто находят практическое применение. Например, в определённых типах электронно-лучевых трубок (ЭЛТ) применяется металлический торий, продиффундировавший через металлический вольфрам при 2000 °C.

Если в смеси газов масса одной молекулы в четыре раза больше другой, то такая молекула передвигается в два раза медленнее по сравнению с её движением в чистом газе. Соответственно, скорость диффузии её также ниже. Эта разница в скорости диффузии лёгких и тяжёлых молекул применяется, чтобы разделять субстанции с различными молекулярными весами. В качестве примера можно привести разделение изотопов. Если газ, содержащий два изотопа, пропускать через пористую мембрану, более лёгкие изотопы проникают через мембрану быстрее, чем тяжёлые. Для лучшего разделения процесс производится в несколько этапов. Этот процесс широко применялся для разделения изотопов урана (отделение 235 U от основной массы 238 U). Поскольку такой способ разделения требует больших энергетических затрат, были развиты другие, более экономичные способы разделения. Например, широко развито применение термодиффузии в газовой среде. Газ, содержащий смесь изотопов, помещается в камеру, в которой поддерживается пространственный перепад (градиент) температур. При этом тяжёлые изотопы со временем концентрируются в холодной области.

Уравнения Фика

С точки зрения термодинамики движущим потенциалом любого выравнивающего процесса является рост энтропии. При постоянных давлении и температуре в роли такого потенциала выступает химический потенциал µ, обуславливающий поддержание потоков вещества. Поток частиц вещества пропорционален при этом градиенту потенциала

В большинстве практических случаев вместо химического потенциала применяется концентрация C. Прямая замена µ на C становится некорректной в случае больших концентраций, так как химический потенциал перестаёт быть связан с концентрацией по логарифмическому закону. Если не рассматривать такие случаи, то вышеприведённую формулу можно заменить на следующую:

Читайте также:  Какого цвета глаза какаши

которая показывает, что плотность потока вещества J [] пропорциональна коэффициенту диффузии D [()] и градиенту концентрации. Это уравнение выражает первый закон Фика. Второй закон Фика связывает пространственное и временное изменения концентрации (уравнение диффузии):

Коэффициент диффузии D зависит от температуры. В ряде случаев в широком интервале температур эта зависимость представляет собой уравнение Аррениуса.

Дополнительное поле, наложенное параллельно градиенту химического потенциала, нарушает стационарное состояние. В этом случае диффузионные процессы описываются нелинейным уравнением Фоккера—Планка. Процессы диффузии имеют большое значение в природе:

  • Питание, дыхание животных и растений;
  • Проникновение кислорода из крови в ткани человека.

Геометрическое описание уравнения Фика

Во втором уравнении Фика в левой части стоит скорость изменения концентрации во времени, а в правой части уравнения — вторая частная производная, которая выражает пространственное распределение концентрации, в частности, выпуклость функции распределения температур, проецируемую на ось х.

Источник

Принципы и способы обработки диффузионных сапфиров

В нашей стране наблюдается такое явление, что большинство из тех, кто хоть немного знаком с драгоценными камнями, пытаются купить натуральный, не диффузионный сапфир или другой самоцвет. Многие методы облагораживания минералов входят в таблицы классификации, и ежедневно придумываются новые методы обработки. С чем это связано?

По мере того как добываются в природе драгоценные камни — а происходит это довольно быстро — их запас на земле исчерпывается. Поскольку многие из них не обладают достаточным качеством даже для использования в недорогих украшениях, а высококачественных камней немного, то удовлетворить аппетиты всех желающих невозможно.

Причем многие готовы купить натуральный самоцвет не слишком хорошего качества, чем отдать предпочтение обработанному, а зря. Методов обработки, в том числе и диффузионной, существуют тысячи, и не все они как-либо ухудшают качество минерала и делают его не настоящим. В некоторых случаях без этого и вовсе нельзя обойтись, например, у сапфиров с оптическими эффектами; поэтому нельзя сказать что облагораживание — это зло. Более того, не совсем корректно делить камни по методам обработки на натуральные и нет.

Как бы там ни было, а из списка методов облагораживания камней часто удаляется механическая обработка. Но она также оказывает влияние на поверхностные слои минерала, как, например, в случае с диффузией титана. Происходит это потому, что при обработке камень нагревается. Но первое означает полностью необработанный натуральный камень, а второе — чуть ли не фальшивку. Поэтому грамотнее рассматривать такой вопрос, какая именно обработка применялась и как это влияет на стоимость изделия.

Диффузионная обработка сапфиров

В природе редко встречаются камни ювелирного качества и большого размера. Поэтому большинство из них подвергаются обработке, чтобы придать им хоть как-то товарный вид. В некоторых случая такой подход является нормальным явлением, а иногда он изменяет внешний вид камня ненадолго и вследствие некоторого воздействия может испортиться.

Для того чтобы камни обработать, их нагревают до высоких температур. Это необходимо и в случае внутренней и внешней диффузии. Даже чтобы заполнить чем-то трещины в камне, его греют.

Последнее применяется для того, чтобы улучшить прозрачность камня. Этого же можно добиться и обычным нагреванием без примесей. Во время повышения температуры сапфира многие включения расплавляются, при этом некоторые из них обладают способностью заполнять трещины. Корунды очищаются путем достижения температуры 1200 градусов.

Еще одна цель, которая преследуется при нагревании камней, — это усиление цвета. Большинство минералов от природы бледные и имеют неоднородную окраску. Любой цвет камням дают примеси, которые в них содержатся. Во время нагревания такие примеси начинают диффундировать по объему камня и равномерно распределяться, что делает оттенок минерала более выразительным.

Последний метод обработки заключается в диффузии вещества, которое попадает в камень снаружи. Обычно происходит это следующим образом. Во время температурной обработки камень покрывается специальным флюсом, в который можно добавить вещество. В зависимости от того, какой эффект пытаются получить, это может быть бериллий, хром, железо, титан или литий.

Лучший эффект достигается при диффузионном окрашивании бериллием и литием. Эти вещества обладают довольно небольшим размером атомов, что позволяет им проникать достаточно глубоко внутрь самого минерала, поэтому окрашивание получается равномерное. Но даже в этом случае не все так просто. Красителем заполняются в основном небольшие трещины, поэтому окончательный эффект зависит от изначального расположения этих самых трещин. Кроме того, многие примеси, которые оказывают влияние на цвет и структуру камня, в этом случае остаются неизменными, поэтому качественная обработка получается для некоторых конкретных минералов.

Раньше считалось, что все сапфиры, которые содержат бериллий, подверглись обработке. Но не так давно обнаружили, что некоторые из них изначально его содержат. Поэтому было сделано допущение, что в натуральных сапфирах должно быть бериллия не более пяти миллионных долей.

Не так давно случился некоторый скандал, связанный с сапфирами. В 2001 году на рынке стали появляться необычные оранжевые сапфиры, как впоследствии оказалось, это были розовые камни, которые обработали диффузией бериллия, хотя множество специалистов утверждало, что камни настоящие.

Читайте также:  С каким цветом сочетается бордовая плитка

Титан, хром и другие вещества окрашивают сапфир только поверхностно, причем речь идет о долях микрона. Такое тонкое покрытие может сойти при любом, даже относительно небольшом, воздействии. При перепланировке или повторной огранке камня оно также уходит.

Украшения с диффузионными сапфирами

Идентификация такого окрашивания тоже не представляет большой проблемы. Достаточно рассмотреть камень в иммерсионной жидкости или в диффузном цвете.

Сапфиры с оптическими эффектами

Как известно, высокой ценой и популярностью обладают сапфиры, которые имеют заметные оптические эффекты, наиболее часто это звезда в центре камня. Их обрабатывают кабошоном, чтобы подчеркнуть всю красоту явления, и многие задаются вопросом, являются ли такие камни обработанными.

Необработанные корунды природного происхождения содержат тонкие иголочки рутила в виде усов. Такие эффекты, как шелк, который выглядит как распространение тоненьких иголок по всей толще камня, а также астеризм и кошачий глаз проявляются вследствие нагревания этих камней. Происходит это благодаря растворению усов рутила и высвобождению из-под них пустых канальцев.

Если камни обрабатывают кабошоном с гексагональной симметрией с нижним основанием, перпендикулярным оси шестигранной ячейки это и приводит к возникновению такого эффекта. Получается, что если рутил из канальцев не растворен, то их почти не видно. Для того чтобы отобразить эти эффекты четко, необходимо произвести термообработку минерала.

Таким образом, при покупке звездчатого корунда можно быть уверенным, что он обработан. В ином случае звезда проявляется еле-еле и очень размыта. Если изначально в камне содержалось много рутила, то его просто нагревали в боросиликатном флюсе, если рутила было мало, то во флюс добавляли оксид титана. Главное при этом — ориентирование перпендикулярно главной оси кристалла.

Многих покупателей уверяют в природном происхождении минерала, который имеет отчетливо видную звезду. Причем часто можно услышать, что такой качественный и необработанный камень можно приобрести только у них, а остальные продают диффузионные. Не стоит верить такому утверждению. В любом случае камень обработан, а если нет, то он, скорее всего, вообще, синтетический.

Коды обработки сапфиров

Очень часто корунды подлежат обработке, потому что в природе практически не встречается идеальных экземпляров, а если таковые имеются, то стоят они очень дорого. Помимо нагревания и диффузии, сапфиры залечиваю стеклом и так далее. В зависимости от того, как был обработан сапфир, в документах будут указаны коды, которые означают следующее:

  • N — необработанные. К этой категории относятся практически все камни, которые от природы имеют эффект изменения цвета. Кроме того, не обрабатывают камни либо очень светлых тонов, либо очень темных. Конечно, если цвет самоцвета насыщенный, то необработанным он будет стоить дорого. Признаки, которые можно увидеть невооруженным глазом: в многоцветных корундах резкая граница, высокая прозрачность, неяркий цвет.
  • H — термически обработанный камень. Производится для улучшения цвета. Обычно делается под слоем боросиликатного флюса, чтобы кристаллы не загрязнялись фоновыми примесями.
  • U — облагорожен диффузией. Обычно используется диффузия титана, бериллия или лития. Последняя не позволяет себя обнаружить множеством доступных геммологам методов.
  • F — корунд с лечением трещин. Чаще всего для этого применяется свинцовое стекло, которое представляет собой стеклообразный расплав оксидов свинца, обладающий высокой прочностью и твердостью. Обычно такая категория камней является наиболее дешевой.

Признаки диффузионной обработки

Для того чтобы не попасться и не приобрести по цене натурального диффузионный сапфир, необходимо знать методы отличия и признаки обработанных сапфиров.

В первую очередь речь пойдет о гретых камнях, так как этот способ обработки условно также можно отнести к диффузии, однако не внешней, а внутренней, когда окрашивающий пигмент распространяется в толще камня. Признаками этого являются:

  • В корундах синего оттенка равномерное замутнение кристалла микродефектами, которые будут заметны только в лупу с 20-кратным увеличением. Вокруг таких микродефектов могут быть образованы гало, шаровидные, плоские и другие.
  • В термически обработанных сапфирах и рубинах — локальные, неоднородно распределенные облака гало и красной ваты.
  • Иногда результатом термического отжига также является залечивание микроскопических трещин, в этом случае при большом увеличении в них можно будет заметить капли флюса. Могут быть белые канальца от растворенного рутила.

Признаками диффузионной обработки являются:

  • Диффузия титана в некоторых случаях проявляется расширением лучей звезды у корундов с эффектом астеризма. Синие сапфиры с поверхностной диффузией имеют определенный цвет, который почти не меняется под разными освещениями.
  • Бериллий оставляет только один след и то не всегда. Вокруг рудиниста обработанного камня можно заметить контур другого цвета, соседнего по спектру. Отсутствие такого контура не говорит о необработанном сапфире, а вот его наличие однозначно указывает на обработку бериллием.
  • Признаков подкрашивания корундов литием, видимых без приборов, нет.

В большинстве случаев нет ничего плохого в диффузионной обработке сапфира. Если это сделано качественно и на высшем уровне, а для окрашивания использовали литий и бериллий, то такое воздействие будет совсем незаметным. Недостатком является то, что этими веществами нельзя получить красный рубин и синий сапфир, а методы, которые используются для окрашивания корундов в эти цвета, дают менее долгосрочный эффект.

Источник