Диффузионные процессы и их использование в технологиях

2.2 Плазмолиз

Плазмолиз (от греч. plásma — вылепленное, оформленное  и lýsis — разложение, распад), отставание протопласта от оболочки при погружении клетки в гипертонический раствор. Плазмолиз характерен главным образом для растительных клеток, имеющих прочную целлюлозную оболочку. Животные клетки при перенесении в гипертонический раствор сжимаются.

 В  зависимости от вязкости протоплазмы,  от разницы между осмотическим давлением клетки и внешнего раствора, а следовательно от скорости и степени потери воды протоплазмой, различают плазмолиз выпуклый, вогнутый, судорожный и колпачковый. Иногда плазмолизированные клетки остаются живыми; при погружении таких клеток в воду или гипотонический раствор происходит деплазмолиз. Для сравнительной оценки плазмолиз в тканях существует 2 метода: пограничного плазмолиза и плазмометрический. Первый метод, разработанный Х. Де Фризом (1884), заключается в погружении тканей в растворы с различной концентрацией KNO₃, сахарозы или др. осмотически активного вещества и установлении той концентрации, при которой плазмолизируется 50% клеток. При плазмометрическом методе после плазмолиза измеряют относительный объём клетки и протопласта и по концентрации раствора вычисляют осмотическое давление клетки (по соответствующим формулам).

2.3 Осмос

Если  два вещества разделены полупроницаемой перегородкой (мембраной), диффузия протекает в одном направлении. Это явление называется осмосом.

      Осмос от греческого – толчок, давление. При осмосе происходит выравнивание концентраций раствора по обе стороны мембраны, пропускающей малые молекулы растворителя, но не пропускавшей более крупные молекулы растворенного вещества. Схематическое изображение осмоса представлено на рис.3. Осмос протекает от чистого растворителя к раствору или от разбавленного раствора к концентрированному. Впервые осмос наблюдал французский химик Нолле в 1748 г.

       Раствор NaCl и сахара

           Вода

          Прозрачная  пленка

Рис.3. Схематическое  изображение осмоса.

Перенос молекул растворителя обусловлен осмотическим давлением или диффузионным. Это  термодинамический параметр, характеризующий стремление раствора к понижению концентрации при соприкосновении с чистым растворителем.

      Осмотическое  давление обусловлено понижением химического  потенциала растворителя в присутствии  растворенного вещества. Осмотическое давление в предельно разбавленных растворах не зависит от природы растворителя и растворенных веществ; при постоянной температуре оно определяется только числом частиц. Первые измерения осмотического давления произвел немецкий ботаник Пфеффер в 1877 г., исследуя водные растворы сахара.

Растворы  с одинаковым осмотическим давлением  называют изоосмотическими. Так, различные  кровезаменители и физиологические  растворы изоосмотичны относительно внутренних жидкостей организма. Если один раствор  в сравнении с другим имеет более высокое осмотическое давление, его называют гипертоническим, а имеющий более низкое осмотическое давление – гипотоническим.

Практическое  применение осмоса

Мембранные  методы разделения основаны на различной  скорости прохождения компонентов  раствора или газовой смеси через полупроницаемую мембрану за счёт разницы концентрации, давления, температуры или электрического потенциала по обе стороны мембраны. Мембранные методы разделения применяются для опреснения солёных и очистки сточных вод, получения особо чистой воды, разделения углеводородов, концентрирования растворов, в том числе пищевых продуктов, биологически активных веществ, обогащения воздуха кислородом. Полупроницаемые мембраны изготовляют в виде пористых плёнок, пластин, полых нитей из полимеров, стекла, металлов. Обратный осмос используется при гиперфильтрации – метода концентрирования или уменьшения засоленности растворов, заключающийся в подаче их на полупроницаемую мембрану. Мембрана пропускает растворитель и полностью или частично задерживает растворенное вещество. Обратный осмос применяется для опреснения солёных и очистки сточных вод, разделения трудноразделимых смесей, смещения равновесия химических реакции.

  В настоящее время во всем мире действует свыше 2000 заводов по опреснению воды.

 Осмос широко используют в лабораторной технике: при определении молярных характеристик полимеров, концентрировании растворов, исследовании разнообразных биологических структур. Осмотические явления иногда используются в промышленности, например при получении некоторых полимерных материалов, очистке высоко-минерализованной воды методом «обратного» осмоса жидкостей. 

3.  Применение диффузии на производстве

Диффузия  находит широкое применение в  промышленности. На явлении диффузии основана диффузионная сварка металлов. Методом диффузионной сварки   соединяют между собой металлы, неметаллы, металлы и неметаллы, пластмассы. Детали помещают в закрытую сварочную камеру с сильным разряжением, сдавливают и нагревают до 800 градусов. При этом происходит интенсивная взаимная диффузия атомов в поверхностных слоях контактирующих материалов. Диффузионная сварка применяется в основном в электронной и полупроводниковой промышленности, точном машиностроении.

Для получения в промышленности свойств стали, применяют различные виды отжига одним из которых является диффузионный отжиг. Такой отжиг называют иногда гомогенизирующим. Слово гомогенный означает однородный. Слитки, особенно из легированной стали, имеют неоднородное строение. Углерод и железо образуют с легирующими элементами химические соединения — карбиды. Вследствие этого легирующие элементы оказываются неравномерно распределенными по объему стали: в местах образования карбидов их больше. Возникает неоднородность стали, называемая карбидной ликвацией. Кроме того, в образующихся при затвердевании слитка кристаллах (они имеют древовидную форму и потому называются дендритами) возникает химическая неоднородность. Содержание тугоплавких легирующих элементов, таких как хром, вольфрам, ванадий, в средней части дендрита больше, чем по краям. Такая химическая неоднородность носит название дендритной ликвации. Для выравнивания химического состава слиток нагревают до высокой температуры, при которой атомы элементов приобретают высокую подвижность. Благодаря этому происходит перемещение атомов из мест с большей концентрацией к местам с меньшей концентрацией. В результате такой диффузии и происходит выравнивание химического состава. Отсюда и название диффузионный отжиг. Чтобы ускорить диффузию, нагрев проводят до очень высокой температуры (1100-1200°С). Длительность всей операции достигает 100 ч и более, поэтому такой отжиг сравнительно редко применяют в производстве.

Для извлечения растворимых веществ из твердого измельченного материала применяют  диффузионный аппарат. Такие аппараты распространены главным образом в свеклосахарном производстве, где их используют для получения сахарного сока из свекловичной стружки, нагреваемой вместе с водой.

 Также  диффузия имеет особое значение в шахтах, где она способствует равномерному распределению вредных газов в атмосфере горных выработок, предупреждению их опасных скоплений. В неподвижном воздухе имеет место собственно молекулярная диффузия (в непроветриваемых выработках и выработанном пространстве, при нарушении вентиляции); в ламинарном воздушном потоке она совмещается с конвективным переносом. Интенсивность молекулярной диффузии в шахтах обычно ниже скорости газовыделения в выработке, что при отсутствии других видов газопереноса (кроме молекулярного) приводит к образованию скоплений газов у мест их выделения. Коэффициент молекулярной диффузии D_m не зависит от направления диффузии (зависит от свойств диффундирующих газов). Для диффузии метана в воздухе D_m=0,196 см²/с, углекислого газа — 0,142 с м²/с.

5. Применение диффузии в медицине. Аппарат « искусственная почка»

Диффузионные  процессы играют большую роль в обмене веществ между организмом и средой, между разными частями организма. Растворы питательных веществ извне, а также продукты распада, возникающие в клетках, проникают благодаря диффузии через их оболочки.

      Боле 30 лет назад немецкий врач Вильям Кольф применил аппарат «искусственная почка». С тех пор он применяется: для неотложной хронической помощи при острой интоксикации; для подготовки больных с хронической почечной недостаточностью к трансплантации почек; для длительного (10-15 лет) жизнеобеспечения больных с хроническим заболеванием почек.

      Применение  аппарата «искусственная почка» становится в большей мере терапевтической  процедурой, аппарат применяется  как в клинике, так и в домашних условиях. С помощью аппарата проводилась подготовка реципиента к первой в мире успешной трансплантации почки,           проведенной в 1965 г. академиком Б.В. Петровским.

Аппарат представляет собой гемодиализатор, в котором кровь соприкасается  через полупроницаемую мембрану с солевым раствором. Вследствие разности осмотических давлений из крови в солевой раствор сквозь мембрану проходят ионы и молекулы продуктов обмена (мочевина, мочевая кислота), а также различные токсические вещества, подлежащие удалению из организма. Аппарат представляет собой систему из плоских каналов, разделенных тонкими целлофановыми мембранами, по которым встречными потоками медленно движутся кровь и диализат – солевой раствор, обогащенный газовой смесью CO₂ + О₂ Аппарат подключается к кровеносной системе больного с помощью катетеров, введенных в полую (вход крови в диализат) и локтевую (выход) вены. Диализ продолжается 4-6 ч.

Этим  достигается очистка крови от азотистых шлаков при недостаточной  функции почек, т.е. осуществляется регулирование химического состава крови.

6.  Применение диффузии в технике

Возможность повлиять на направленность и скорость диффузии широко используется в современной  технике. В этом одна из основных причин большого интереса к проблеме диффузии со стороны и ученых, и инженеров. 
Диффузия связана, с одной стороны, со многими фундаментальными физическими законами и понятиями, с другой-со многими сложными процессами, протекающими в металлических сплавах и определяющими их строение и свойства. Теория диффузии переплетается с наукой о материалах и с практическим материаловедением, с применением материалов в технике и быту. Как всякая наука, теория диффузии-это еще и проблема познания человеком окружающего мира, это-люди, их мысли, поиски и находки, победы и поражения, их стремление к истине. 
    Существенную роль в работе ядерных реакторов играет диффузия нейтронов, то есть распространение нейтронов в веществе, сопровождающееся многократным изменением направления и скорости их движения в результате столкновения с ядрами атомов. Диффузия нейтронов в среде аналогична диффузии атомов и молекул в газах и подчиняется тем же закономерностям.

В результате диффузии носителей в полупроводниках возникает электрический ток, перемещение носителей заряда в полупроводниках обусловлено неоднородностью их концентрации. Для создания, например, полупроводникового диода в одну из поверхностей германия вплавляют индий. Вследствие диффузии атомов индия в глубь монокристалла германия в нем образовывается р-n – переход, по которому может идти значительный ток при минимальном сопротивлении.

      Диффузия широко используется в технике для повышения жаростойкости, твердости и прочности деталей машин. Так, например, для повышения твердости и износоустойчивости деталей машин осуществляют так называемую цементацию, сущность которой заключается в том, что детали помещают в ящики, наполненные порошкообразным углеродом, затем помещают в термическую печь и выдерживают в ней определенное время. Молекулы углеродом проникают между атомами (молекулами) поверхностного слоя стальной детали, образуя слои цементита. Чем выше температура печи и время выдержки деталей в ней, тем больше глубина науглероженного слоя металла. Также  диффузия применяется для сглаживания резких цветовых переходов.  
 

Заключение

Мы видим, как велико значение диффузии в техники, производстве, медицине, при обработке материалов и т.д., а существование живых организмов было бы невозможно, если бы не было этого явления. К сожалению, приходится бороться с отрицательным проявлением этого явления, но положительных факторов намного больше и поэтому мы говорим об огромном значении диффузии в природе и технологиях. 
Природа широко использует возможности, заложенные в процессе диффузионного проникновения, играет важнейшую роль в поглощении питания и насыщении кислородом крови.

 Диффузия оказывает влияние на протекание или определяет механизм и кинетику химических реакций ,а также многие физико-химические процессы и явления: мембранных, испарения, конденсации, кристаллизации, растворения, набухания, горения, каталитических, хроматографических, люминесцентных, электрических и оптических в полупроводниках, замедления нейтронов в ядерных реакторах и т. д.

Диффузия  служит основой многих распространенных технических операций: спекания порошков, химико-термической обработки металлов, гомогенизации сплавов, металлизации и сварки материалов, дубления кожи и меха, крашения волокон; перемещения газов .

Роль  диффузии существенно возросла в  связи с необходимостью создания материалов с заранее заданными свойствами для развивающихся областей техники (ядерной энергетики, космонавтики, радиационных и плазмохимических процессов и т. п.).