Роль дифузії

Приготування других страв (зменшення переходу екстрактивних речовин у розчин) – зменшення швидкості дифузії:

• мала кількість рідини (1:1, припускання або варіння парою);

• занурення продукту в гарячу воду (поверхня швидко нагрівається, але в центрі зберігається початкова температура, виникає градієнт температури, що викликає термовологоперенесення разом з рідиною відбувається переміщення розчинних речовин у глибину продукту);

• краще солити після закипання, на початку варіння;

• варити великим куском (збільшення розміру частинок, зменшення поверхні стикання).

При виробництві кулінарної продукції процес розчинення є процесом, що супроводжує інші теплові процеси: адсорбцію, ректифікацію, варіння і смаження. Розчинення твердих тіл належить до процесів з фіксованою поверхнею фаз (наявна межа розділу рідина – тверде тіло).

При виготовленні їжі шляхом теплової обробки (варіння, смаження) важливим є масопередача в твердій фазі. В цих процесах крім масовіддачі від поверхні розділу фаз в рідину, пару, жир (фритюр) відбувається переміщення речовини в твердій фазі – масопровідність.

Процес масоперенесення в твердих тілах називають «стиснена дифузія», що пояснюється тим, що основа, скелет матеріалу, з якого складається продукт, здійснює опір дифузійному потоку або навіть перегороджує шлях дифузійному потоку.

Закон кінетики перенесення дифундуючої речовини: кількість речовини, що була переміщена в твердій фазі за рахунок масопровідності, пропорційна коефіцієнту масопровідності D_м, градієнту концентрації С, площі поверхні, перпендикулярної до напряму потоку речовини, і часу τ:

,

де D_м – коефіцієнт масопровідності, м²/с;

– градієнт концентрацій;

dS – площа поверхні, що перпендикулярна напряму потоку речовини, м²;

τ – час, с.

У процесах варіння та смаження різні напрями поширення температури і концентрації речовини, що дифундує.

Температурний градієнт спрямований від периферії продукту до його центру, а градієнт концентрації – від центру до периферії. При цьому важка речовина, що дифундує, переміщується у напрямі градієнта температур, а дифундуюча легка речовина – у напрямі градієнта концентрацій. Таке явище називається термодифузією. При термодифузії процес масообміну може бути утруднений внаслідок протилежних напрямів руху, наприклад, вологи і парів при варінні, смаженні, висушування.

Рух вологи у напрямі градієнта температур (від периферії до центру) називається термовологопровідність.

Переміщення вологи у напрямі градієнта концентрації (від центру до периферії) називається волого провідність (дифузія води).

Якщо в колбу з водою внести розчинну речовину, то молекули цієї речовини будуть спричиняти тиск на стінки колби, який можна виявити за допомогою напівпроникних перетинок (мембран).

Напівпроникна мембрана – мембрана, що пропускає частинки розчинника, але не пропускає частинки розчиненої речовини.

Осмос – довільний перехід розчинника через напівпроникну мембрану з розбавленого розчину (чистого розчинника) в концентрований розчин. Явище осмосу можна спостерігати за допомогою приладу ‑ осмометра.

Експеримент, який показує дію осмотичного тиску:

Початок експерименту		Кінець експерименту
2 1 3	1 – вода 2 – концентрований розчин цукру 3 ‑ напівпроникна мембрана Система, що утворилася – нерівноважна. Внаслідок цього в ній починається самочинний процес вирівнювання концентрацій: молекули розчинника (води) переходять у посудину 2 з розчином цукру.		Внаслідок осмосу об’єм рідини у посудині 2 збільшиться і розчин почне підійматись. Для припинення осмосу необхідно ззовні до розчину прикласти тиск, що спричинятиме зворотний процес – вихід молекул розчинника з розчину. Цей тиск ‑ осмотичний тиск, πосм (рівноважний гідростатичний тиск)

Осмотичний тиск ( _осм.) – тиск, який необхідно прикласти до концентрованого розчину, щоб завадити перенесенню розчинника через мембрану.

Якщо Р_{зовнішній} > _осм. – зворотний осмос (одержання питної води з морської, очищення стічних вод). Причиною того, що на солонцюватих ґрунтах не всі рослини можуть проростати є зворотний (обернений) осмос.

Закон осмотичного тиску для розведених розчинів неелектролітів (Вант-Гофф, 1887): осмотичний тиск розчину дорівнює тому тиску, який чинила б розчинена речовина, якби вона при тій же температурі перебувала у газоподібному стані і займала б об’єм, рівний об’єму розчину (осмотичний тиск розчину прямо пропорційний його концентрації та температурі).

πосм = , Якщо V=1л, то v =См πосм.= СмRT πосм. =

πосм. ‑ осмотичний тиск розчину (Па); v ‑ кількість молей розчиненої речовини (моль); V – об’єм розчину (м^3); R – універсальна газова стала 8,31 Дж/(моль∙ К); Т – абсолютна температура (К); См – молярна концентрація розчиненої речовини (моль/л); m – маса розчиненої речовини (г); μ ‑ молярна маса розчиненої речовини (г/моль).

Висновки:

• Осмотичний тиск залежить від концентрації розчиненої речовини, а не від її хімічного складу.

• Осмотичний тиск пропорційний різниці концентрацій у розчинах, що розділені мембраною (Т=const).

• Осмотичний тиск пропорційний температурі (∆С=const).

За осмотичним тиском розчини класифікують на:

• Гіпертонічні (π_осм. зовнішнього розчину > Р у середині клітини): клітина знаходиться в концентрованому розчині, відбувається дифузія води з клітини в розчин, об’єм клітини зменшується (цитоплазма відокремлюється від оболонки), клітина зморщується.

Плазмоліз – явище зморщування клітини в гіпертонічному розчині внаслідок втрати води (при консервуванні овочів і плодів, приготуванні джемів, повидла, варення; в медицині як зовнішнє для змочування марлевих пов’язок, що вводять у гнійні рани).

• Гіпотонічні (π_осм. зовнішнього розчину < Р у середині клітини) – клітина знаходиться в розбавленому розчині, відбувається дифузія води в клітину із зовнішнього розчину, збільшується об’єм клітинного соку, клітина набухає.

Тургор – явище збільшення клітини в об’ємі, набухання в гіпотонічному розчині (при варінні компотів, гемоліз еритроцитів).

• Ізотонічні (π_осм. зовнішнього розчину = Р у середині клітини) – стан клітини не змінюється. У медицині вводять внутрівенно для компенсації втрат крові: π_осм. 0,85%-ного NaCІ = 7,5 10⁵Па; π_осм.4,5-5%-ного C₆Н₁₂О₆ = 7,5 10⁵Па;

π_осм. крові людини = 7,4 10⁵ - 7,8 10⁵ Па (t=37^оС).

Властивості розчину завжди відрізняються від властивостей кожного з його компонентів. Ця зміна властивостей зумовлена:

1. характером взаємодії між компонентами;

2. зменшенням концентрації молекул кожної з речовин під час розподілу в ній молекул іншої речовини.

Вплив цих чинників зростає із збільшенням концентрації розчиненої речовини.

Тиск насиченої пари – це тиск, при якому (при певній температурі) досягається динамічна рівновага, що характеризується рівністю швидкостей випаровування та конденсації рідини.

Внаслідок випаровування над рідиною утворюється пара, тиск якої можна виміряти за допомогою манометра. Одночасно з ендотермічним процесом випаровування відбувається зворотний екзотермічний процес конденсації. За певних умов між цими процесами встановлюється рівновага (ΔG = 0). Рівноважний стан системи рідина – пара за певної температури характеризується тиском насиченої пари.

Якщо в рідині розчинена нелетка речовина, то вона утруднює випаровування розчинника (між молекулами розчинника і розчиненої речовини відбувається взаємодія) при цьому зменшується концентрація молекул розчинника в одиниці об’єму, зменшується кількість молекул, що випаровуються за одиницю часу з рідкої фази у пароподібну. Згідно з принципом Ле Шательє, починається процес, спрямований на зменшення зовнішнього впливу, тобто відбувається процес конденсації, що призводить до зниження тиску пари. Рівновага між рідиною і парою встановиться при нижчій концентрації пари, тобто при нижчому тиску пари.

• Р насиченої пари розчинника над розчином < Р насиченої пари розчинника над чистим розчинником.

• Зниження тиску пари над розчином буде більшим, чим вища концентрація розчиненої речовини у розчині.

І закон Рауля (1887): відносне зниження тиску насиченої пари розчинника над розчином дорівнює мольній частці розчиненої речовини.

І закон Рауля встановлює залежність тиску пари від концентрації розчину: тиск насиченої пари розчинника над розчином (Р_а) прямо пропорційний молярній долі розчинника (N_a).

Р_а = Р_а^о N_a, де Р_а^о – тиск пари над розчинником;

, де N_в – молярна доля розчиненої речовини;

‑ відносне зниження тиску насиченої пари розчинника над розчином.

Закон Рауля точно виконується тільки для ідеальних розчинів.

Графічне зображення І закону Рауля (для ідеального розчину) Т=const

В- чистий компонент В (менш леткий) А – чистий компонент А (більш леткий) Сумарний тиск парів 2-х компонентного розчину (Р) та парціальний тиск пари більш леткого компоненту (Ра^о) збільшується зі збільшенням молярної долі більш леткого компоненту (Na) Одночасно парціальний тиск менш леткого компоненту розчину (Рв) зменшується.

Відхилення від закону Рауля:

Позитивні Р пари експ. > Р пари обчисл. Бензол + етанол; вода + етанол Сили притягання А..В < Сили притягання А..А та В..В Р рідина Т=const пара В А

Негативні Р пари експерим. < Р пари обчисл. Метанол + вода; азотна кислота + вода С или притягання А..В < Сили притягання А..А та В..В Р рідина Т=const пара В А