Закон Фика для скорости диффузии. Математическое выражение, анализ уравнения.
Диффузия – процесс самопроизвольного выравнивания концентрации молекул, ионов, кол.частиц под влиянием их теплового или броуновского движения. Диффузия является макроскопическим проявлением теплового движения и поэтому идет тем быстрее, чем выше температура. Явление диффузии необратимо, она протекает до полного выравнивания концентраций, так как хаотическому распределению частиц отвечает максимальная энтропия системы.
Закон Фика:
где dm – изменение количества вещества (масса вещества, переносимого путем диффузии); dx dc – градиент концентраций в направлении x; dS – площадь поперечного сечения, через которое диффундирует вещество; dτ – продолжительность диффузии; D – коэффициент диффузии (коэффициент пропорциональности).
Математическое выражение коэффициента диффузии. Анализ уравнения.
Коэффициент диффузии численно равен количеству вещества, пере- носимого путем диффузии в направлении x при градиенте концентрации dx dc = 1, через сечение в 1 единицу площади за 1 единицу времени. Коэф- фициент диффузии имеет размерность м2 /c. Концентрация в уравнениях (1) и (2) измеряется в кг/м3 или моль/м3 . Знак (–) в уравнении (1) позволяет выразить массу вещества, переносимого путем диффузии, в виде положи- тельного числа, так как градиент концентраций – это величина отрица- тельная (движение веществ осуществляется в направлении уменьшения концентрации). Коэффициент диффузии может быть рассчитан по уравнению Стокса- Эйнштейна:
|
|
|
R – универсальная газовая постоянная (8,314 Дж/(моль·К)); Т – температура; NA – число Авогадро; η – коэффициент динамической вязкости среды, в которой происходит диффузия; r – радиус диффундирующих частиц.
Таким образом, коэффициент диффузии зависит от природы диффундирующего вещества (размера частиц), от природы среды, в которой осуществляется диффузия (вязкости среды) и от температуры. Коэффициент диффузии увеличивается с ростом температуры и снижается с увеличением размера диффундирующих частиц и с повышением вязкости среды.
Значение диффузии в биологических процессах.
Диффузия играет важную роль в процессах жизнедеятельности клеток и тканей животных и растений (например, Диффузия кислорода из лёгких в кровь и из крови в ткани, всасывание продуктов пищеварения из кишечника, поглощение элементов минерального питания клетками корневых волосков, диффузия ионов при генерировании биоэлектрических импульсов нервными и мышечными клетками). Различная скорость диффузии ионов через клеточные мембраны — один из физических факторов, влияющих на избирательное накопление элементов в клетках организма.
|
|
|
Значение диффузии в биологических процессах:
-скорость обмена веществ зависит как от скорости реакций обмена веществ, так от скорости движения реагирующих веществ движение реагирующих веществ в клетках и межклеточном веществе обусловлено диффузией скорость движения реагирующих веществ в клетках и межклеточном веществе определяется скоростью диффузии
-питательные вещества и продукты обмена в межклеточном веществе и в клетках перемещаются путем диффузии
-диффузия лежит в основе пассивного транспорта веществ через клеточные мембраны
различают простую диффузию, ограниченную диффузию, облегченную диффузию облегченная диффузия служит для транспорта крупных ионов и молекул или молекул жиронерастворимых веществ для них из-за большого размера транспорт через клеточные поры невозможен путь транспорта – через мембрану белками-переносчиками(транслоказами)
Сущность пассивного транспорта веществ, облегченной диффузии, активного транспорта.
Различают активный и пассивный перенос (транспорт) нейтральных молекул и ионов через биомембраны. Активный транспорт - происходит при затрате энергии за счет гидролиза АТФ или переноса протона по дыхательной цепи митохондрий. Пассивный транспорт не связан с затратой клеткой химической энергии: он осуществляется в результате диффузии веществ в сторону меньшего электрохимического потенциала. Примером активного транспорта может служить перенос ионов калия и натрия через цитоплазматические мембраны К - внутрь клетки, а Na - из нее, перенос кальция через саркоплазматического ретикулума скелетных и сердечных мышц внутрь везикул ретикулума, перенос ионов водорода через мембраны митохондрий из матрикса - наружу: все эти процессы происходят за счет энергии гидролиза АТФ и осуществляются особыми ферментами - транспортными АТФ-фазами. Наиболее известный пример пассивного транспорта - это движение ионов и калия через цитоплазматическую мембрану нервных волокон при распространении потенциала действия.
|
|
|
При облегченной диффузии вещества переносятся через мембрану также по градиенту концентрации, но с помощью специальных трансмембранных белков-переносчиков (транслоказ). Белок-переносчик имеет центр связывания, комплементарный переносимому веществу, поэтому для облегченной диффузии, в отличие от простой, характерна высокая избирательность: для каждого вещества или группы сходных веществ имеется свой переносчик.
|
|
|
Отличия облегченной диффузии от простой:
1) перенос ионов с участием переносчика происходит значительно быстрее по сравнению со свободной диффузией;
2) облегченная диффузия обладает свойством насыщения – при увеличении концентрации с одной стороны мембраны плотность потока вещества возрастает лишь до некоторого предела, когда все молекулы переносчика уже заняты;
3) при облегченной диффузии наблюдается конкуренция переносимых веществ в тех случаях, когда одним переносчиком переносятся разные вещества и при этом одни вещества переносятся лучше, чем другие, и добавление одних веществ затрудняет транспорт других;
4) есть вещества, блокирующие облегченную диффузию, они образуют прочный комплекс с молекулами переносчика, препятствуя дальнейшему переносу.
Дата добавления: 2020-04-25; просмотров: 857; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!