Градиент концентрации

Градиент концентрации (от лат. gradi, gradu, gradus — ход, движение, течение, приближение; con — с, вместе, совместно + centrum — центр) или концентрационный градиент — это векторная физическая величина, характеризующая величину и направление наибольшего изменения концентрации какого-либо вещества в среде. Например, если рассмотреть две области с различной концентрацией какого-либо вещества, разделённые полупроницаемой мембраной, то градиент концентрации будет направлен из области меньшей концентрации вещества в область с большей его концентрацией.

Определение

При постоянном значении градиента концентрации C на длине пути l :

Здесь C₁ и C₂ — начальное и конечное значение концентрации на длине пути l (нормали к изоконцентрационной поверхности).

Градиент концентрации может быть причиной переноса веществ, например диффузии. Диффузия осуществляется против градиента концентрации.

См. также

Литература

Полезное

Смотреть что такое «Градиент концентрации» в других словарях:

градиент концентрации — — [А.С.Гольдберг. Англо русский энергетический словарь. 2006 г.] Тематики энергетика в целом EN composition [concentration] gradient … Справочник технического переводчика

градиент концентрации — – разность содержания ионов K+, Na+, Ca2+ вне и внутри клетки (ионная асимметрия), что обеспечивает образование мембранного потенциала и регуляцию биоэффектов внутри клеток. Общая химия : учебник / А. В. Жолнин [1] … Химические термины

градиент концентрации — koncentracijos gradientas statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. concentration gradient vok. Konzentrationsgradient, m rus. градиент концентрации, m pranc. gradient de la concentration, m … Fizikos terminų žodynas

градиент концентрации примеси — — [А.С.Гольдберг. Англо русский энергетический словарь. 2006 г.] Тематики энергетика в целом EN impurity gradient … Справочник технического переводчика

относительный градиент концентрации космических лучей — относительный градиент концентрации Вектор, направленный в сторону максимального увеличения концентрации космических лучей, модуль которого равен отношению производной концентрации в этом направлении к величине концентрации. [ГОСТ 25645.104 84]… … Справочник технического переводчика

Градиент — Эта статья о математической характеристике; о способе заливки см.: Градиент (компьютерная графика) … Википедия

анимально-вегетативный градиент — ЭМБРИОЛОГИЯ ЖИВОТНЫХ АНИМАЛЬНО ВЕГЕТАТИВНЫЙ ГРАДИЕНТ – градиент чувствительности у еще не оплодотворенной яйцеклетки с выраженным анимальным и вегетативным полюсами (например, у птиц при отмирании яйцеклетки изменения происходят вначале на… … Общая эмбриология: Терминологический словарь

Кинетика физическая — теория неравновесных макроскопических процессов, то есть процессов, возникающих в системах, выведенных из состояния теплового (термодинамического) равновесия. К К. ф. можно отнести термодинамику неравновесных процессов (См. Термодинамика… … Большая советская энциклопедия

МАССООБМEН — необратимый перенос массы компонента смеси в пределах одной или неск. фаз. Осуществляется в результате хаотич. движения молекул (мол. диффузия), макроскопич. движения всей среды (конвективный перенос), а в турбулентных потоках также в результате… … Химическая энциклопедия

Гипокалиемия — МКБ 10 E … Википедия

Источник

Градиент концентрации – определение и примеры

Определение градиента концентрации

Градиент концентрации возникает, когда растворенное вещество более сконцентрирован в одной области, чем в другой.

«Концентрация» относится к тому, сколько растворенного вещества по сравнению с растворитель, Например, в углу резервуара для воды, в который только что была добавлена ​​соль, концентрация соли будет намного выше, чем в противоположном конце резервуара, где соль не достигалась.

Со временем растворенные вещества всегда снижают градиент концентрации, чтобы «попытаться» создать одинаковую концентрацию на всем протяжении решение.

Разумеется, растворенное вещество ничего не «хочет». Но законы термодинамики гласят, что из-за постоянных движений атомов и молекул вещества будут перемещаться из областей с более высокой концентрацией в более низкую концентрацию, чтобы получить случайное решение. Эта анимация иллюстрирует, как и почему происходит этот процесс:

Это можно легко продемонстрировать дома, добавив каплю пищевого красителя на стакан воды. Сначала пищевой краситель будет занимать только небольшое пятно в жидком стакане, где он был добавлен. Но со временем цветные частицы будут распространяться, создавая равномерное распределение цветных частиц по всему дну стекла.

Некоторые жизненные формы используют эту тенденцию растворенных веществ перемещаться из области высокой концентрации в низкую концентрацию, чтобы привести в действие жизненные процессы.

Нейроны, например, способны посылать сигналы так быстро, потому что они используют градиент концентрации заряженных частиц, чтобы создать электрохимический импульс, когда им нужно выстрелить. 20-25% всех калорий, потребляемых человеческим организмом, используются для поддержания этого жизненного градиента концентрации!

Функция градиентов концентрации

Градиенты концентрации являются естественным следствием законов физики. Однако живые существа нашли много способов использовать свои свойства для выполнения важных жизненных функций.

Например, организмы, которым необходимо перемещать вещество в свои клетки или из них, могут использовать движение одного вещества по градиенту его концентрации для транспортировки другого вещества в тандеме.

Организмы могут также использовать градиенты концентрации для осуществления внезапных изменений или движений, высвобождая высокие концентрации растворенного вещества для перемещения в области с низкой концентрацией. Нейроны являются примером клеток, которые используют высокие концентрации растворенных веществ для достижения быстрых изменений.

Примеры градиентов концентрации

Нейроны и натриево-калиевая помпа

Нейроны тратят огромное количество энергии – около 20-25% всех калорий организма, у людей – перекачивая калий в свои клетки и выводя натрий. Результатом является чрезвычайно высокая концентрация калия внутри нервных клеток и очень высокая концентрация натрия снаружи.

Когда клетки связываются, они открывают ионные ворота, которые пропускают натрий и калий. Различия в концентрации натрия / калия настолько сильны, что ионы «хотят» мгновенно выбежать из клетка, Поскольку ионы электрически заряжены, это фактически меняет электрический заряд ячейки.

Этот «электрохимический» сигнал распространяется гораздо быстрее, чем просто химический сигнал, что позволяет нам быстро воспринимать, думать и реагировать.

Проблемы, которые мешают нейронному натриево-калиевому насосу, могут очень быстро привести к смерти, потому что сердце мускул сам опирается на эти электрохимические импульсы для накачки кровь чтобы сохранить нас в живых.

Это делает градиент концентрации натрия / калия в нейронах, возможно, самым важным градиентом концентрации для жизни человека!

Насос Symport глюкозы / натрия

Симпортный насос глюкоза-натрий также использует градиент натрия / калия.

Одной из проблем, с которыми сталкиваются клетки, является перемещение глюкозы – которая является большой и трудной для перемещения по сравнению с крошечными ионами натрия – и которую часто необходимо перемещать в зависимости от градиента концентрации.

Чтобы решить эту проблему, некоторые клетки «связали» движение глюкозы с движением калия, используя белки, которые позволят натрию снижать градиент концентрации – если он принимает глюкозу молекула с этим.

Это еще один пример того, как клетки используют основные законы физики инновационными способами для выполнения функций жизни.

Легкие и Жабры

Наиболее распространенные примеры градиентов концентрации включают твердые частицы, растворенные в воде. Но газы также могут иметь градиенты концентрации.

Жабры человеческих легких и рыб используют градиенты концентрации, чтобы поддерживать нас в живых. Поскольку кислород следует правилам градиентов концентрации, как и любое другое вещество, он имеет тенденцию диффундировать из областей с высокой концентрацией в области с низкой концентрацией. Это означает, что он диффундирует из воздуха в нашу обедненную кислородом кровь.

Легкие и жабры делают этот процесс более эффективным, быстро пропуская нашу самую обедненную кислородом кровь через поверхности наших легких и жабр. Таким образом, кислород постоянно диффундирует в клетки крови, которые в этом больше всего нуждаются.

викторина

1. Какой из следующих законов описывает, как работают градиенты концентрации?A. Движущийся объект имеет тенденцию оставаться в движении, если на него не воздействует внешняя сила.B. Системы всегда прогрессируют до состояния большей случайности.C. Вещества распространяются из областей с высокой концентрацией в области с низкой концентрацией.D. И B, и C.

Ответ на вопрос № 1

D верно. И B, и C верны, и утверждение C является действительным следствием утверждения B. Вещества диффундируют из областей с высокой концентрацией в области с низкой концентрацией как часть движения всей системы к более случайному состоянию с течением времени.

2. Что из нижеперечисленного НЕ относится к градиенту концентрации натрия / калия?A. Вы можете перемещать вещество против градиента концентрации, не затрачивая энергию, если у вас есть право транспортный белок,B. Транспортные белки, которые перемещают вещества против их градиентов концентрации, должны быть снабжены энергией, чтобы функционировать.C. Поскольку клетки должны разрушать молекулы и расходовать энергию, чтобы двигать вещества против градиента их концентрации, это движение не нарушает законы термодинамики.D. Ни один из вышеперечисленных.

Ответ на вопрос № 2

верно. Вещества могут перемещаться против градиентов концентрации только путем расходования энергии. В этом случае клетки расщепляют глюкозу и расходуют огромное количество АТФ, чтобы сделать возможным градиент концентрации натрия / калия. В процессе они перемещают большую систему к случайности, в соответствии с законами термодинамики.

3. Что из нижеперечисленного мы бы не смогли сделать, если бы вещества не имели склонности снижать свои градиенты концентрации?A. СчитатьB. ШагC. вздохнутьD. Все вышеперечисленное

Ответ на вопрос № 3

D верно. Все вышеперечисленные процессы стали возможными благодаря использованию градиентов концентрации!

Источник

Градиент концентрации: понятие, формула расчета. Транспорт веществ в биологических мембранах

Что такое концентрация? Если говорить в широком смысле, то это соотношение объема вещества и количества растворенных в нем частиц. Данное определение встречается в самых разнообразных отраслях науки, начиная от физики и математики, заканчивая философией. В данном случае, идет речь об употреблении понятия «концентрация» в биологии и химии.

Градиент

В переводе с латыни, это слово означает «растущий» или «шагающий», то есть это некий «указующий перст», который показывает направление, в котором возрастает любая величина. В качестве примера можно использовать, допустим, высоту над уровнем моря в разных точках Земли. Ее (высоты) градиент в каждой отдельной точке на карте будет показывать вектор увеличения значения до достижения самого крутого подъема.

В математике этот термин появился только в конце девятнадцатого века. Его ввел Максвелл и предложил свои обозначения этой величины. Физики используют данное понятие для того, чтобы описывать напряженность электрического или гравитационного поля, изменение потенциальной энергии.

Не только физика, но и другие науки используют термин «градиент». Это понятие может отражать как качественную, так и количественную характеристику вещества, например, концентрацию или температуру.

Градиент концентрации

Что такое градиент теперь известно, а что такое концентрация? Это относительная величина, которая показывает долю вещества, содержащегося в растворе. Она может высчитываться в виде процента от массы, количества молей или атомов в газе (растворе), доли от целого. Такой широкий выбор дает возможность выразить практически любое соотношение. И не только в физике или биологии, но и в метафизических науках.

А в общем, градиент концентрации является векторной величиной, которая одновременно дает характеристику количеству и направлению изменения вещества в среде.

Определение

Можно ли подсчитать градиент концентрации? Формула его представляет собой частность между элементарным изменением концентрации вещества и длинной пути, который придется преодолеть веществу для достижения равновесия между двумя растворами. Математически это выражается формулой С = dC/dl.

Активный транспорт

Существуют разные формы АТФ, которые располагаются на мембранах клеток. Энергия, заключенная в них, высвобождается при переносе молекул веществ через так называемые насосы. Это поры в клеточной стенке, которые выборочно поглощают и откачивают ионы электролитов. Кроме того, существует такая модель транспорта как симпорт. В этом случае одновременно транспортируется два вещества: одно выходит из клетки, а другое в нее попадает. Это позволяет сэкономить энергию.

Везикулярный транспорт

Активный и пассивный транспорт включает в себя транспортировку веществ в виде пузырьков или везикул, поэтому процесс называется, соответственно, везикулярным транспортом. Выделяют два его вида:

Пассивный транспорт: диффузия

Движение по градиенту концентрации (от высокой к низкой) происходит без использования энергии. Выделяют два варианта пассивного транспорта – это осмос и диффузия. Последняя бывает простой и облегченной.

Основное отличие осмоса в том, что процесс перемещения молекул происходит через полупроницаемую мембрану. А диффузия по градиенту концентрации происходит в клетках, имеющих мембрану с двумя слоями липидных молекул. Направление транспорта зависит только от количества вещества с обеих сторон мембраны. Этим способом в клетки проникают гидрофобные вещества, полярные молекулы, мочевина, и не могут проникнуть белки, сахара, ионы и ДНК.

В процессе диффузии, молекулы стремятся заполнить весь доступный объем, а так же выровнять концентрацию по обе стороны мембраны. Бывает так, что мембрана непроницаема или плохо проницаема для вещества. В этом случае на нее воздействуют осмотические силы, которые могут как сделать преграду плотнее, так и растянуть ее, увеличив размеры насосных каналов.

Облегченная диффузия

Когда градиент концентрации не является достаточным основанием для транспорта вещества, на помощь приходят специфические белки. Они располагаются на мембране клеток точно так же, как и молекулы АТФ. Благодаря ним, может осуществляться как активный, так и пассивный транспорт.

Таким способом через мембрану проходят крупные молекулы (белки, ДНК), полярные вещества, к которым относятся аминокислоты и сахара, ионы. Благодаря участию белков скорость транспорта увеличивается в несколько раз, по сравнению с обычной диффузией. Но это ускорение зависит от некоторых причин:

Несмотря на это, транспорт осуществляется благодаря работе белков-переносчиков, а энергия АТФ в данном случае не используется.

Основными чертами, которые характеризуют облегченную диффузию, являются:

Осмос

Как уже упоминалось выше, осмос – это движение веществ по градиенту концентрации через полупроницаемую мембрану. Наиболее полно процесс осмоса описывает принцип Лешателье-Брауна. В нем говорится, что если на систему, находящуюся в равновесии, повлиять извне, то она будет стремиться вернуться в прежнее состояние. Первый раз с явлением осмоса столкнулись в середине XVIII столетия, но тогда ему не придали особого значения. Исследования феномена начались только сто лет спустя.

Самым важным элементом в феномене осмоса является полупроницаемая мембрана, которая пропускает через себя только молекулы определенного диаметра или свойств. Например, в двух растворах с разной концентрацией, через преграду будет проходить только растворитель. Это будет продолжаться до тех пор, пока концентрация с обеих сторон мембраны не станет одинаковой.

Осмос играет значительную роль в жизни клеток. Это явление позволяет проникать в них только тем веществам, которые необходимы для поддержания жизни. Красная клетка крови имеет мембрану, пропускающую только воду, кислород и питательные вещества, но белки, которые, образуются внутри эритроцита, не могут попасть наружу.

Явление осмоса нашло и практическое применение в быту. Даже не подозревая об этом, люди в процессе засаливания пищи использовали именно принцип движения молекул по градиенту концентрации. Насыщенный солевой раствор «вытягивал» на себя всю воду из продуктов, тем самым позволяя им дольше храниться.

Источник

Статья по теме: Градиента концентрации

Предметная область: полимеры, синтетические волокна, каучук, резина

Первый член правой части уравнения представляет собой полный поток массы, проходящей через элемент в результате наличия градиента концентрации; второй член выражает массу реагирующего вещества, исчезающего из потока в результате химической реакции со скоростью Rv в объеме элемента ЛС67. В условиях установившегося (стационарного) потока эти два члена оказываются скомпенсированными и член левой части уравнения, представляющий собой накопление массы внутри эле-[2, С.109]

Распределение порошкообразных ускорителей, серы и противостарителей в резиновых смесях в лучшем случае происходит на уровне кристаллических частиц, что не может обеспечить одинакового градиента концентрации этих компонентов по всему объему эластомера, поскольку вблизи самих частиц сохраняется повышенная концентрация растворенных молекул [4, 34]. Это можно предположить и по тому, что растворение кристаллических ингредиентов в каучуках будет подобно растворению кристаллических веществ в жидкостях.[6, С.77]

Проведенный анализ быстрых реакций полимеризации показал, что отмеченные при математическом моделировании эффекты тождественны наблюдаемым экспериментально на примере полимеризации изобутилена [2]. Сравнение расчетных и экспериментальных данных указывает на возникновение градиента концентрации и температур, т.е. быстрые реакции с локальным вводом катализатора протекают по отдельным зонам в виде факела с различными температурными и кинетическими параметрами. Важным следствием неизотер-мичности процесса является повышение полидисперсности продукта по средним молекулярным массам, т.е. ухудшение его свойств. Наличие факела в быстрых процессах полимеризации, в частности изобутилена, определяет специфические методические и практические приемы их проведения. Так, внешнее термостатирование не является эффективным и ограничивает использование дилатометрии и многих других экспериментальных методов исследования кинетики процесса. Лишь низкие концентрации катализатора (меньше 10″4 моль/л) при условии эффективного перемешивания реакционной массы могут обеспечить изотермический характер процесса и получение полимерного продукта с ММР, близким к расчетному.[9, С.142]

Смешение — это операция, приводящая к уменьшению неоднородности системы. Этого можно достичь, только вызвав физическое перемещение ингредиентов. Смешение включает три основные типа движения. Бродки [2] назвал это движение диффузией и классифицировал его типы как молекулярную, турбулентную и объемную диффузию. Молекулярная диффузия — это спонтанно протекающий процесс, вызванный наличием градиента концентрации (химический потенциал). Это доминирующий механизм при смешении газов и низковязких жидкостей. При турбулентном смешении молекулярная диффузия накладывается на беспорядочное вихревое движение, которое в свою очередь может накладываться на «объемную диффузию», или конвективное течение.[1, С.182]

В процессе экспонирования серебро проникает в слой Ge — Se. С неэкспонированных участков Ag2Se удаляют раствором KI/Kb» образующим растворимый комплекс KAgI2. Стекло Ge — Se с этих участков удаляется раствором NaOH, содержащим ионы S2

. В органическом слое можно затем создавать окна с помощью ИХТ в кислородной плазме, при этом Ge — Se служит маской. При введении Ag в слой Ge — Se в процессе экспонирования повышается оптическая плотность пленки Ag2Se. При этом, как и в случае обычных органических резистов, постепенно увеличивается экспозиция экспонируемых областей. В результате образования градиента концентрации Ag на краях изображения Ag может при засветке из неэкспонированного слоя диффундировать в экспонированные области. Хотя это и может привести к снижению пропускания в результате повышения концентрации Ag, однако в результате улучшается четкость краев, что наблюдается у линий шириной не более 0,5 мкм. Непрозрачность слоя Ag2Se/(Ge — Se) ‘ для УФ-света исключает влияние отраженного от рельефной подложки света и, наоборот, пропускание света длиной волны более 500 нм дает возможность легкого оптического контроля совмещения.[5, С.273]

Для делигнификации древесины необходимо не только фрагменти-ровать сетку лигнина и освободить его от связей с углеводами, но и создать в древесине достаточно развитую капиллярную систему для обеспечения проникновения реагентов и вывода продуктов, сообщить лигнину гидрофильные свойства и растворить продукты деструкции лигнина. На делигнификацию древесины в значительной степени влияют пути и скорости проникновения химических реагентов в клеточную стенку. Имеются два различных механизма движения варочных реагентов: проникновение вместе с варочным раствором в пустоты древесины на стадии пропитки древесины; диффузия реагентов из варочного раствора в воду, содержащуюся в древесине, под влиянием градиента концентрации. Поскольку коэффициент диффузии в жидкостях и твердых материалах невелик, скорость диффузионного процесса ниже скорости пропитки древесины. При варке реагенты, поступившие в древесину при пропитке, быстро расходуются при повышении температуры. Далее реагенты вводятся в щепу диффузией. Варочные процессы относятся к гетерогенным процессам, при которых возможны различные топохимические эффекты, обусловленные надмолекулярной структурой клеточных стенок и микроструктурой древесины, влияющими на скорость диффузии реагентов и продуктов реакций. Задержка в поступлении реагентов может привести к нежелательным процессам, что следует учитывать при составлении режима варки.[4, С.463]

Изменение градиента концентрации (dc/dx) следует измерять при нескольких концентрациях (например, 2,0; 4,0; 6,0 и 8,0 г/л). Тогда коэффициенты диффузии фс=о) можно рассчитать из кривой, представленной на рис. 8.8, по формуле[7, С.119]

Для измерения градиента концентрации обычно пользуются интерферометром Рэлея с гелиево-неоновым лазером в качестве источника света (рис. 8.11).[7, С.119]

Необходимым условием диффузии является наличие градиента концентрации пенетранта в полимере, при этом передвижение его идет из области с высокой концентрацией в область низкой концентрации.[8, С.228]

Наглядно представить образование в суспензии такого градиента концентрации довольно трудно, благодаря влиянию молекул растворителя. Явление это можно сравнить с поведением смеси двух газов при постоянных температуре и давлении, но с градиентом концентрации того и другого компонента. Рассмотрим плоскость, проведенную через такую газовую смесь перпендикулярно направлению градиента концентрации. Предположим, что концентрация компонента А выше в левой части плоскости и ниже в правой; распределение компонента В должно быть обратное. В единицу времени в левой части плоскости должно приходить в столкновение большее число молекул А, чем в правой; для молекул В справедливо обратное. Следовательно, больше молекул А будет проходить через плоскость слева направо и подобным же образом больше молекул В будет двигаться справа налево. В результате наступит уравнивание концентраций двух компонентов. Этот процесс представляет собой диффузию газов. Если теперь перейти к жидкой суспензии, в которой существует подобный же градиент концентрации взвешенных частичек, то ясно, что можно повторить предыдущее рассуждение, приложив его к движению твердых частичек и молекул растворителя через плоскость, проведенную под прямым углом к градиенту концентрации. Однако общее число частичек в единице объема не остается постоянным, и рассуждение соответственно следует изменить. Ясно, что число молекул растворителя, пересекающих плоскость в направлении от места с высокой концентрацией взвешенных частичек, будет меньше, чем в обратном направлении из-за присутствия частичек, преграждающих путь.[13, С.111]

Источник