Transzportfolyamatok

Hasonló dokumentumok
Fizika-Biofizika I. DIFFÚZIÓ OZMÓZIS Október 22. Vig Andrea PTE ÁOK Biofizikai Intézet

Molekulák mozgásban a kémiai kinetika a környezetben

Transzportjelenségek

A diffúzió leírása az anyagmennyiség időbeli változásával A diffúzió leírása a koncentráció térbeli változásával

Biofizika szeminárium. Diffúzió, ozmózis

Reakciókinetika és katalízis

HOMOGÉN EGYENSÚLYI ELEKTROKÉMIA: ELEKTROLITOK TERMODINAMIKÁJA

Biofizika I. DIFFÚZIÓ OZMÓZIS

Sejtek membránpotenciálja

Orvosi Fizika 10. Biológiai membránok fizikája, diffúzió, ozmózis Dr. Nagy László

Termodinamikai egyensúlyi potenciál (Nernst, Donnan). Diffúziós potenciál, Goldman-Hodgkin-Katz egyenlet.

Diffúzió. Diffúzió. Diffúzió. Különféle anyagi részecskék anyagon belüli helyváltoztatása Az anyag lehet gáznemű, folyékony vagy szilárd

III. Változás. I./9 Kémiai egyensúly I./10 Egyensúlyi elektrokémia

Biológiai membránok fizikája, diffúzió, ozmózis Dr. Nagy László

Biológiai membránok fizikája, diffúzió, ozmózis Dr. Nagy László

BIOFIZIKA I OZMÓZIS Bugyi Beáta (PTE ÁOK Biofizikai Intézet) OZMÓZIS

Termodinamika (Hőtan)

Anyagismeret 2016/17. Diffúzió. Dr. Mészáros István Diffúzió

Általános kémia képletgyűjtemény. Atomszerkezet Tömegszám (A) A = Z + N Rendszám (Z) Neutronok száma (N) Mólok száma (n)

Diffúzió 2003 március 28

A kémiai és az elektrokémiai potenciál

DIFFÚZIÓ. BIOFIZIKA I Október 20. Bugyi Beáta

Diffúzió. Diffúzió sebessége: gáz > folyadék > szilárd (kötőerő)

OZMÓZIS. BIOFIZIKA I Október 25. Bugyi Beáta PTE ÁOK Biofizikai Intézet

Transzportfolyamatok a mikroszkópikus méretskálán: Diffúzió, Brown-mozgás, ozmózis. A sejt méretskálája. Biomolekuláris rendszerek méretskálája

Kiss László Láng Győző ELEKTROKÉMIA

Szívelektrofiziológiai alapjelenségek. Dr. Tóth András 2018

Elektromos áramerősség

Anyagvizsgálati módszerek Elektroanalitika. Anyagvizsgálati módszerek

Többértékű savak és bázisok Többértékű savnak/lúgnak azokat az oldatokat nevezzük, amelyek több protont képesek leadni/felvenni.

Transzportfolyamatok. összefoglalás, általánosítás Onsager egyenlet I V J V. (m/s) áramvonal. turbulens áramlás = kaotikusan gomolygó áramlás

Az elektromos kettősréteg. Az elektromos potenciálkülönbség eredete, értéke és az azt befolyásoló tényezők. Kolloidok stabilitása.

SEMMELWEIS EGYETEM. Biofizikai és Sugárbiológiai Intézet, Nanokémiai Kutatócsoport. Zrínyi Miklós

Reológia Mérési technikák

Általános Kémia GY 3.tantermi gyakorlat

Differenciálegyenletek december 13.

Gyakorlat 30B-14. a F L = e E + ( e)v B képlet, a gravitációs erőt a (2.1) G = m e g (2.2)

A gáz halmazállapot. A bemutatót összeállította: Fogarasi József, Petrik Lajos SZKI, 2011

Az egyensúly. Általános Kémia: Az egyensúly Slide 1 of 27

Folyadékáramlás. Orvosi biofizika (szerk. Damjanovich Sándor, Fidy Judit, Szöllősi János) Medicina Könyvkiadó, Budapest, 2006

Termoelektromos hűtőelemek vizsgálata

Termodinamikai bevezető

azonos sikban fekszik. A vezetőhurok ellenállása 2 Ω. Számítsuk ki a hurok teljes 4.1. ábra ábra

A munkavégzés a rendszer és a környezete közötti energiacserének a D hőátadástól eltérő valamennyi más formája.

TÖBBKOMPONENS RENDSZEREK FÁZISEGYENSÚLYAI II. Ismerjük fel, hogy többkomponens fázisegyensúlyokban a folyadék fázisnak kitüntetett szerepe van!

FIZIKA I. Ez egy gázos előadás lesz! (Ideális gázok hőtana) Dr. Seres István

Folyadékok áramlása Folyadékok. Folyadékok mechanikája. Pascal törvénye

Elektrofiziológiai alapjelenségek 1. Dr. Tóth András

Lendület. Lendület (impulzus): A test tömegének és sebességének szorzata. vektormennyiség: iránya a sebesség vektor iránya.

5. Az adszorpciós folyamat mennyiségi leírása a Langmuir-izoterma segítségével

Dr. Kopecskó Katalin

Transzportfolyamatok

1 Műszaki hőtan Termodinamika. Ellenőrző kérdések-02 1

A 27/2012. (VIII. 27.) NGM rendelet (29/2016. (VIII. 26.) NGM rendelet által módosított) szakmai és vizsgakövetelménye alapján.

13 Elektrokémia. Elektrokémia Dia 1 /52

Fizika 1 Elektrodinamika beugró/kis kérdések

Az Ampère-Maxwell-féle gerjesztési törvény

Digitális tananyag a fizika tanításához

FIZIKA I. Ez egy gázos előadás lesz! (Ideális gázok hőtana) Dr. Seres István

Elektromos áram. Vezetési jelenségek

Kémiai átalakulások. A kémiai reakciók körülményei. A rendszer energiaviszonyai

f = n - F ELTE II. Fizikus 2005/2006 I. félév

2. A hőátadás formái és törvényei 2. A hőátadás formái Tapasztalat: tűz, füst, meleg edény füle, napozás Hőáramlás (konvekció) olyan folyamat,

Sók oldékonysági szorzatának és oldáshőjének meghatározása vezetés méréssel

Elektron mozgása kristályrácsban Drude - féle elektrongáz

Membránpotenciál, akciós potenciál

Kérdések Fizika112. Mozgás leírása gyorsuló koordinátarendszerben, folyadékok mechanikája, hullámok, termodinamika, elektrosztatika

1. Feladatok a termodinamika tárgyköréből

Műszaki hőtan I. ellenőrző kérdések

Q 1 D Q 2 (D x) 2 (1.1)

1. SI mértékegységrendszer

Mit nevezünk nehézségi erőnek?

Szedimentáció, elektroforézis. Biofizika előadás Talián Csaba Gábor

Orvosi Biofizika I. 12. vizsgatétel. IsmétlésI. -Fény

Az egyensúly. Általános Kémia: Az egyensúly Slide 1 of 27

DINAMIKA ALAPJAI. Tömeg és az erő

Alkalmazás a makrókanónikus sokaságra: A fotongáz

5. Laboratóriumi gyakorlat

Spontaneitás, entrópia

71. A lineáris és térfogati hőtágulási tényező közötti összefüggés:

Vezetők elektrosztatikus térben

Kirchhoff 2. törvénye (huroktörvény) szerint az áramkörben levő elektromotoros erők. E i = U j (3.1)

Elektrokémia kommunikációs dosszié ELEKTROKÉMIA. ANYAGMÉRNÖK NAPPALI MSc KÉPZÉS, SZABADON VÁLASZTHATÓ TÁRGY TANTÁRGYI KOMMUNIKÁCIÓS DOSSZIÉ

Mágneses szuszceptibilitás mérése

Hidrosztatika, Hidrodinamika

A kanonikus sokaság. :a hőtartály energiája

Mivel foglalkozik a hőtan?

PÉLDÁK ERŐTÖRVÉNYEKRE

ÖSSZEFOGLALÁS HŐTANI FOLYAMATOK

Fermi Dirac statisztika elemei

1. előadás. Gáztörvények. Fizika Biofizika I. 2015/2016. Kapcsolódó irodalom:

Reakció kinetika és katalízis

Differenciálegyenletek. Vajda István március 4.

4. A metil-acetát lúgos hidrolízise. Előkészítő előadás

ELEKTROLITOK VEZETÉSÉVEL KAPCSOLATOS FOGALMAK

EA. Elektrokémia alap mérés: elektromotoros erő és kapocsfeszültség mérése a Daniell cellában, az EMF koncentráció függése

Szigetelők Félvezetők Vezetők

Biofizika I. OZMÓZIS. Dr. Szabó-Meleg Edina PTE ÁOK Biofizikai Intézet

Általános Kémia Gyakorlat III. zárthelyi november 7.

Meghatározás: Olyan egyenlet, amely a független változók mellett tartalmaz egy vagy több függvényt és azok deriváltjait.

Átírás:

Transzportfolyamatok Boda Dezső 2009. május 21. 1. Diffúzió elektromos tér hiányában Fizikai kémiából tanultuk, hogy valamely anyagban az i komponens áramsűrűségére fluxus) egy dimenzióban a következő tapasztalati összefüggés áll fenn: j i = D i dc i ahol j i a fluxus, azaz az egységnyi felületen egységnyi idő alatt átáramló anyagmennyiség, D i a diffúziós együttható és dc i a koncentrációgradiens. A diffúziós együttható természetesen függ mind a diffundáló részecske anyagi minőségétől, mind a közeg anyagi minőségétől, amiben a diffúzió történik. Függ azonkívül a hőmérséklettől, nyomástól, koncentrációtól, azaz az alapvető termodinamikai állapotjelzőktől, de egyébként egy jól meghatározott és jól mérhető tömbfázisban) anyagi tulajdonság. A diffúzió oka a hőmozgás, tehát nem tulajdonítható valamely fizikai erőnek, ami céltudatosan a részecskéket elmozgatja egy adott irányba. Azok azért áramlanak egy adott irányba, mert a hőmozgás során mindenfele mozognak, de mivel valahol kevesebb van belőlük, oda több megy a rendszertelen nyüzsgés során. Ez felülről, makroszkopikus nézőpontból egy rendezett mozgásnak látszik, a j i fluxus egy jól mérhető mennyiség, de tisztában kell lennünk a diffúzió statisztikus eredetével. 1.1. Fick I. törvénye - statisztikai leírásmód Próbáljuk meg elemi statisztikus törvényszerűségek felhasználásával levezetni ezt az egyenletet. Vezessük be a λ mennyiséget, ami gázokban átlagos szabad úthossz, kondenzált fázisban egy átlagos ugrás közben megtett út. Ezen úthossz megtételéhez szükséges idő τ. Egy dimenzióban dolgozunk, de tudatában kell lennünk, hogy általánosan a jelenség három dimenzióban játszódik le. Mivel λ kicsi, ezért a koncentráció x λ 2 helyen sorbafejtve x körül és linerarizálva így írható: c x λ ) = cx) λ dc 2) 2 2 míg c x + λ ) = cx) + λ dc 2 2 A balról érkező fluxus: a cx λ 2 ) koncentrációjú helyről τ idő alatt λ távolságra V = λa térfogat jut, azaz 1 2 c x λ 2) λa anyagmennyiség. Az 1/2 szorzó amiatt lép fel, hogy x λ/2 1 1) 3)

helyről csak a részecskék fele jön jobbra. Ezt τa-val osztva kapjuk a fluxust: j 1 = 1 2 c x λ ) λ Ugyanígy, a fluxus jobbról A kettő különbsége a nettó fluxus: j = j 2 j 1 ) = 1 λ = 1 λ j 2 = 1 2 c x + λ ) λ [ c x + λ ) 2 [ cx) + λ dc 2 cx) + λ 2 = λ2 dc dc = D 2τ c ] dc x λ 2 )] 4) 5) 6) 1.2. Az Einstein -Smoluchowski egyenlet Látható, hogy a diffúziós együtthatót, ami egy makroszkopikus fizikai jellemző, visszavezettük mikroszkopikus paraméterekre: D = λ2 2τ Ideális gázban való diffúzióra hasonló összefüggés kapható, csak a 3D miatt más a konstans és más a λ szabad úthossz és ütközések közötti τ idő jelentése: ahol c az átlagos sebesség lásd Liszi: Fizikai kémia). 1.3. Fick I. törvénye - termodinamikai leírásmód 7) D = 1 3 λλ τ = 1 λc 8) 3 A fenti λ és τ paraméterek elég nehezen megfogható mennyiségek. Ehelyett a diffúziós együtthatót földhözragadtabb, mérhető mennyiségek függvényében szokás megadni. Ezen egyenletek levezetéséhez egy másik megközelítésmódot használunk fel. Anyag akkor áramlik egyik helyről x) a másikra x + ), ha a két helyen a kémiai potenciál különböző: µ és µ + dµ. Az anyag átviteléhez szükséges munka állandó T, p mellett: ) dµ dw = dµ = 9) A munka kifejezhető egy termodinamika erő segítségével: p,t dw = F t 10) Eszerint F t = ) dµ p,t 2 11)

Ez nem közvetlenül a részecskékre hat, csak a tartózkodási valószínűségükre. A rendezetlenebb állapot kialakulásának irényába hat, ahol maximális az entrópia. Mekkora ez az erő? Mivel µ = µ 0 + ln a µ 0 + ln c 12) a termodinamikai erőre azt kapjuk, hogy F t = dln c = dc c A részecskék állandó v sebességgel diffundálnak, amikor a diffúziót létrehozó F t termodinamikai erő és az ellene ható közegellenállás súrlódás) kiegyenlítik egymást Newton!!!). A fluxus arányos a vándorlási sebességgel. A dt idő alatt A keresztmetszeten átáramlott anyag térfogata A, mennyisége cdv = ca, ezért a fluxus számolható Adt-vel osztva 13) j = ca Adt = cvdta = cv 14) Adt ahol felhasználtuk, hogy = vdt. A közegellenállás is arányos a vándorlási sebességgel, azaz F t v Tehát j v, v F t, F t dc, és végül j dc Ezek alapján összefüggés írható fel a diffúziós együttható D és a közegellenállási együttható f illetve a viszkozitási együttható η között. Egy részecskére ható közegellenállási erő Stokesegyenlet) F k = fv = 6πηvd 16) míg az egy részecskére ható termodinamikai erő F t = kt c ahol d a részecskék átmérője a Stokes-egyenlet gömb alakú részecskéket feltételez). Stacionárius esetben v =állandó) ez a kettő egyenlő, amiből dc 15) 17) v = kt dc fc 18) A fluxusra kapott egyenletbe behelyettesítve v-re kapjuk, hogy j = cv = kt f dc dc = D 19) amiből D = kt f 20) illetve D = kt 6πηd Ezt nevezzük Stokes-Einstein-egyenletnek. Látható, hogy a közeg viszkozitásának, a hőmérsékletnek, és a részecske átmérőjének függvényében kaptunk összefüggést a diffúziós együtthatóra. 3 21)

2. Elektrolitikus vezetés koncentrációgradiens hiányában Kezdetben tegyük fel, hogy nincs koncentrációgradiens: dc/ = 0. Nyilván az elektromos tér akkor számít ha a részecskéknek töltése van, ha tehát ezek ionok, azaz elektrolitoldatról van szó. 2.1. Elektrolitoldatok vezetése Vezessük be a moláris fajlagos vezetést: Λ = κ c 22) κ a szabad töltéshordózók számától függ, azaz c-vel arányos. Nagy koncentrációnál az ionok közti kölcsönhatás azonban csökkenti a vezetést. Kis koncentrációnál az ionok kölcsönhatása elhanyagolható: ez az ionok független vándorlásának törvénye Kohlrausch). Az ionok száma nem feltétlenül arányos a bemért koncentrációval. Ha így lenne, κ c és Λ=állandó lenne. Λ bevezetése azért célszerü, mert c 0 esetén ez egy Λ 0 hatérértékhez tart: ez a végtelenül híg oldat moláris fajlagos vezetése: 2.2. Erős elektrolitok Λ 0 = lim c 0 Λc) 23) Teljes disszociáció lép fel sók és erős savak esetén, ekkor az szabad ionok koncentrációja arányos az bemért elektrolitkoncentrációval. Ekkor a moláris fajlagos vezetés közel állandó, c-függését a Kohlrausch-szabály írja le: 2.3. Ionok független vándorlásának törvénye Λc) = Λ 0 K c 24) Ha az elektrolit végtelenül híg azaz nagyon híg), akkor az ionok átlagosan nagyon messze vannak egymástól. Ekkor nem zavarják egymást, és a vezetés csak egy adott ion és az oldószer kölcsönhatásától függ. Ekkor egy adott ion vezetése az ionok moláris fajlagos vezetésével jellemezhető Λ 0 + és Λ0, míg az elektrolit moláris fajlagos vezetése ezek lineáris kombinációjából kapható: Λ 0 = ν + Λ 0 + + ν Λ 0 25) ahol ν + és ν a sztöchimetriai számok. Például, BaCl 2 -ra ν + = 1 és ν = 2. 2.4. Gyenge elektrolitok Gyenge elektrolitokban egy disszociációs egyensúly határozza meg a szabad töltéshordozók mennyiségét: HA + H 2 O H 3 O + + A 26) A disszociációs egyensúlyi állandó K a = ah 3O)aA ) aha) = α2 c 1 α 27) 4

ahol α a disszociációfok. Ha a koncentráció kicsi, akkor Λ = αλ 0, mert alacsony koncentrációknál az ionok független vándorlásának törvénye még érvényes, és a moláris fajlagos vezetés α csökkenésével egyenes arányban csökken távolodunk a teljes disszociációtól: gyenge elektrolitokban csak végtelenül a híg esetben van teljes disszociáció). 2.5. Az ionmozgékonyság Az ionokat mozgató erő most valódi fizikai erő: F e = zee 28) ahol E az elektromos térerősség: E = U l 29) z az ionok töltésszáma. Ez is a közegellenállással van egyensúlyban: F k = F e = 6πηdv 30) Elektrolitoldatoknál d az ion hidrodinamikai sugarát jelöli. Definiáljuk az ionmozgékonyságot! Ez az egységnyi térerősség hatására létrejövő vándorlási sebesség: u = v 31) E Láttuk, hogy fluxus egy adott ionfajtára j = vc mol/dm 3 -ben mérve c-t. Az Avogardo számmal szorozva kapjuk a fluxust részecskeszámban mérve: vcνn A. A ν-vel való szorzással az ionok számát kapjuk, mert c sókoncentrációt jelent ez persze tetszőleges). Töltésfluxust kapunk ze-vel szorozva: j = zνvcn A e = zνucfe, mivel v = ue és F = N A e. Az áramerősséget A-val való szorzással kapjuk I = ja = zνucfua 32) l ahool felhasználtuk, hogy E = U/l. E mutatja, hogy I arányos U-val Ohm törvény), a arányossági tényező g = κa/l, amiből κ = zνucf 33) A koncentrációval osztva kapjuk a moláris fajlagos vezetést mondjuk kationra: Az ionok független vándorlásának törvénye értelmében 3. Az elektrodiffúzió Λ 0 + = z +u + F 34) Λ 0 = z + u + ν + + z u ν )F 35) Végül, nézzük azt az esetet, amikor mind koncentrációgradiens, mind elektromos tér jelen van. Kezdjük az egyensúlyi esettel j = 0). 5

3.1. Az egyensúlyi eset: az Einstein-összefüggés Az elektromos tér hatására a kationok és az anionok szétválnak, kialakul egy koncentrációgradiens. A kialakuló koncentrációkülönbség természetesen az őt létrehozó erő az elektromos tér) ellen hat. Egyensúlyban a két hatás elektromos és termodinamikai erő) ellensúlyozza egymást: F e = zee = F t = kt c amiből 1 dc c = zee 37) kt Vegyük észre, hogy mivel egy részecskére írtuk fel az erőt, nem egy mólra F helyett e), kt-t használunk helyett. Ugyanezt az elvet kifejezhetjük a vándorlási sebességek felírásával is. Az elektromos tér hatására kialakuló vándorlási sebesség: v e = ue, a diffúzió hatására kialakuló vándorlási sebesség pedig: v d = j c = D dc c = DzeE 38) kt ahol felhasználtuk Fick I. törvényét. A két sebesség azonos nagyságú és ellentétes irányú, amiből D = ukt ze = u 39) zf Ez az Einstein összefüggés. A mozgékonyságra kapjuk, hogy u = DzF Kationra felírva a moláris fajlagos vezetést: Elektrolitra: Λ 0 + = z + u + F = z + D + z + F dc F = z2 + F 2 D + Λ 0 = F 2 ν +z 2 +D + + ν z 2 D ) 42) Ez az Nernst-Einstein összefüggés. Ez az egyenlet megadja a vezetés és diffúziós állandó kapcsolatát. 3.2. Az elektrodiffúziót leíró egyenlet nem-egyensúlyi esetben Ha koncentráció dc elektromos tér miatt míg a koncentrációgradiens miatt: A teljes fluxus 36) 40) 41) ) és potenciálgradiens dφ ) egyaránt jelen van, a töltésfluxus az j e = zνucf dφ j c = zf D dc ) j = zfd dc dc zνufcdφ = zfd 6 + νzfc ) dφ 43) 44) 45)

Ez a Nernst-Planck elektrodiffúziós egyenlet. Ha c az adott ion koncentrációját jelöli, ν = 1. Ezt az egyenletet más úton is megkaphatjuk. A diffúziót a kémiai potenciálgradiens hajtja, az elektrodiffúziót az elektrokémiai potenciálgradiens. Diffúzióra ahol felhasználtuk, hogy mivel Az elektrokémiai potenciál j = D dc = D c dµ dµ = dc c 46) 47) µ = µ 0 + ln c. 48) µ = µ 0 + ln c + zfφ 49) Ezt visszahelyettesítva a fenti egyenletbe, de µ helyett µ -ot használva kapjuk, hogy j = Dc dµ = Dc = Dc ) dc dφ + zf c dc = D + zcf ) dφ d µ 0 + lnc + zfφ ) Töltésfluxusra felírva zf-el szorozva) a Nernst-Planck egyenletet kapjuk. 50) 7