8.5.3. Перенос массы (диффузия)

Растворенные вещества и растворитель перемещаются через полупроницаемые мембраны путем диффузии  взаимного проникновения веществ, которые соприкасаются друг с другом вследствие теплового движения частиц вещества. Диффузия происходит в направлении уменьшения концентрации вещества и приводит к ее равномерному распределению по объему.

Линейный закон термодинамики необратимых процессов в случае диффузии имеет вид закона Фика:

J_m = L_m F_m (8.75)

или

J_m= = –D , (8.76)

где J_m= ; L_m = –D; F_m = , а – плотность потока вещества; m масса вещества, диффундирующего за время dt; D – коэффициент диффузии; S – площадь, через которую переносится вещество; – градиент плотности.

Единицы измерения плотности потока вещества  кг/м²с; коэффициента диффузии  м²/с; градиента плотности  кг/м³м.

Коэффициент диффузии D зависит от природы и молекулярной массы вещества и растворителя. В случае диффузии через клеточную мембрану коэффициент диффузии характеризует скорость поступления молекул вещества в цитоплазму (жидкое вещество клетки). Направление потока частиц и градиента концентрации (направленного в сторону возрастания концентрации) противоположны; именно поэтому в последней формуле присутствует знак «минус».

Типичные значения коэффициентов диффузии небольших молекул в водном растворе и газов в воздухе приведены в табл. 8.5.

Табл. 8.5.– Коэффициенты диффузии небольших молекул в водном растворе и газов в воздухе

Вещество	Коэффициент диффузии, м2/ c	Вещество	Коэффициент диффузии, м2/ c
Глюкоза	0,6710-9	Na+ (с Сl-)	1,510-9
Глицин	1,110-9	CO2 (в растворе)	1,710-9
Сахароза	0,5210-9	CO2 (газ)	1,510-5
Са2+ (с Сl-)	1,210-9	Н2О	2,410-5
K+ (с Сl-)	1,910-9	О2	1,910-5

Пример

Определить, сколько времени необходимо молекулам глюкозы в водном растворе, чтобы продифундировать на 50 мкм – расстояние, равное сечению типичной клетки листка.

Решение

Используем данные табл. 8.5. Значения коэффициента диффузии глюкозы составляет D = 0,6710^-9 м²/c. Время, необходимое для перенесения молекул глюкозы на расстояние 50 мкм, равно t= /4D=(5010^-6м)²/4(0,6710^-9м²/c) = 0,93 с. Следовательно, для внутриклеточных масштабов диффузия является достаточно быстрым процессом.

Контрольное задание

Определить время, необходимое для переноса на расстояние 1 м молекул вещества, коэффициент диффузии которого равен 10^-9м²/c.

Ответ: 2,510⁸ с.

Приведем примеры диффузии в природе. Во время транспирации происходит диффузия водного пара через межклеточные воздушные промежутки листка, после чего этот пар выходит в атмосферу через устьица (мелкие поры). Данный процесс является очень важным этапом водного цикла; он обеспечивает возвращение в атмосферу большего количества воды, чем в процессе испарения ее с поверхности речек и озер. Около 90 % воды теряется растением через листья. На каждый килограмм сухого вещества растение затрачивает несколько сот килограммов воды; следовательно, излишняя транспирация приводит к существенному уменьшению продуктивности растительных угодий.

Углекислый газ диффундирует из атмосферы через открытые устьица к поверхности клеток листка, тогда как кислород, образующийся вследствие фотосинтеза, перемещается в обратном направлении также благодаря диффузии.

За счет диффузионных процессов осуществляется газообмен между почвой и воздухом, а также перенос питательных веществ из почвы к корневой системе растений. В то же время, если лишить поле растений, почва становится более влажной и неспособной поглощать дождевую воду, что приводит к нарушению водного баланса почвы.