3. Диффузия, осмотическое давление, законы Фика и Вант-Гофа.¶
Диффу́зия (лат. diffusio «распространение, растекание, рассеивание; взаимодействие») — процесс взаимного проникновения молекул или атомов одного вещества между молекулами или атомами другого вещества, приводящий к самопроизвольному выравниванию их концентраций по всему занимаемому объёму. В некоторых ситуациях одно из веществ уже имеет выровненную концентрацию и говорят о диффузии одного вещества в другом. При этом перенос вещества происходит из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией (противоположно направлению вектора градиента концентрации).
Осмотическое давление (обозначается $π$) — избыточное гидростатическое давление на раствор, отделённый от чистого растворителя полупроницаемой мембраной, при котором прекращается диффузия растворителя через мембрану (осмос). Это давление стремится уравнять концентрации обоих растворов вследствие встречной диффузии молекул растворённого вещества и растворителя.
Мера градиента осмотического давления, то есть различия водного потенциала двух растворов, разделённых полупроницаемой мембраной, называется тоничностью. Раствор, имеющий более высокое осмотическое давление по сравнению с другим раствором, называется гипертоническим, имеющий более низкое — гипотоническим.
Закон Вант-Гоффа: осмотическое давление разбавленных растворов неэлектролитов прямо пропорционально молярной концентрации раствора и абсолютной температуре:
$$
\pi = RTC(x),
$$
где $R$ - газовая постоянная, $T$ - абсолютная температура, $C(x)$ - молярная концентрация раствора.
С точки зрения термодинамики движущим потенциалом любого выравнивающего процесса является рост энтропии. При постоянных давлении и температуре в роли такого потенциала выступает химический потенциал $\mu,$ обусловливающий поддержание потока вещества. При этом поток частиц вещества $J$ пропорционален концентрации $C$ и градиенту потенциала. Используя разложение химического потенциала по степеням концентрации, справедливое для газов и слабых растворов,
$$
\mu = {\displaystyle k_{B}T\ln C+\phi _{0}(T)+{\phi _{1}(T)}{C}+}...
$$
можно показать, что ведущий член в выражении для потока частиц
$$
{\displaystyle J=-D{\frac {\partial C}{\partial x}},}
$$
которая показывает, что плотность потока вещества $J$ (измеренное, например, в $моль·см^{-2}с^{-1}$) пропорциональна коэффициенту диффузии $D [см^2·с^{-1}]$ и градиенту концентрации. Это уравнение выражает первый закон Фика. Второй закон Фика связывает пространственное и временно́е изменения концентрации (уравнение диффузии):
$$
{\displaystyle {\frac {\partial C}{\partial t}}={\partial \over \partial x}D{\frac {\partial C}{\partial x}}.}
$$
