Przeczytaj
Warto przeczytać
Dyfuzja na poziomie mikroskopowym i makroskopowym
Cząsteczki cieczy i gazów poruszają się chaotycznie z wielkimi prędkościami, w zderzeniach wciąż zmieniając kierunki i wartości swoich prędkości. Ten ruch nazywamy ruchem cieplnym lub ruchem termicznym.
to rozprzestrzenianie i mieszanie się cząsteczek na skutek ruchów cieplnych.
Przykłady dyfuzji to: rozprzestrzenianie się zapachów w nieruchomym powietrzu, wymieszanie wody i mleka wlanych do jednego naczynia, czy wyrównanie się, w całej objętości zbiornika wodnego, stężenia zanieczyszczeń, które się do niego przedostały.
Na Rys. 1. pokazano kolorowy atrament wlany do naczynia z wodą. Barwne plamy rozprzestrzeniają się, zmieniają kształty, aż w końcu cała woda będzie miała jednolite zabarwienie. W skali makroskopowej zjawisko dyfuzji obserwujemy jako proces nieodwracalny, prowadzący do wyrównywania stężeń różnych składników cieczy lub gazu. Na poziomie mikroskopowym przyczyną dyfuzji są chaotyczne, termiczne ruchy cząsteczek. Ruch każdej cząsteczki jest całkowicie przypadkowy - żaden kierunek nie jest wyróżniony. Efekt dokładnego wymieszania substancji jest skutkiem ogromnej liczby poruszających się losowo cząsteczek.
Od czego zależy szybkość dyfuzji?
Gdy cząsteczki mają duże prędkości, a więc i duże energie kinetyczne, to w krótkim czasie mogą pokonać duże odległości. Miarą średniej energii kinetycznej cząsteczek jest temperatura w skali bezwzględnej. Stąd wniosek:
Dyfuzja zachodzi szybciej w wyższej temperaturze.
Pamiętajmy jednak, że dwie cząsteczki o jednakowych energiach kinetycznych, ale różnych masach mają różne prędkości. Im mniejsza masa cząsteczki, tym większa jej prędkość. Wynika to ze wzoru na energię kinetyczną: .
Wobec tego, w tej samej temperaturze cząsteczki o mniejszej masie będą rozprzestrzeniały się (dyfundowały) szybciej niż te o większej masie.
Szybkość dyfuzji jest tym większa, im mniejsza jest masa cząsteczkowamasa cząsteczkowa substancji dyfundujących.
Szybkość dyfuzji jest większa w ośrodkach, których cząsteczki wykonują ukierunkowany ruch. Na przykład mleko szybciej wymiesza się z kawą, gdy całość zamieszamy łyżeczką. Podany przykład ilustruje tzw. dyfuzję wymuszoną. Zjawisko dyfuzji wymuszonej jest często wykorzystywane przez drapieżniki, które podchodząc od zawietrznej (tj. od strony, z której - z punktu widzenia drapieżnika - wieje wiatr) są niewyczuwalne dla swoich ofiar.
Na szybkość dyfuzji wpływa też to, jak często cząsteczka zderza się z innymi cząsteczkami. Zderzenia są rzadsze, gdy dłuższa jest średnia droga swobodnaśrednia droga swobodna, czyli średnia odległość przebyta przez cząsteczkę między kolejnymi zderzeniami. Mniejsza liczba zderzeń oznacza szybszy proces dyfuzji. Oczywiście średnia droga swobodna cząsteczek zależy od stanu skupienia substancji.
Dyfuzja zależy od stanu skupienia i własności ośrodka, w jakim zachodzi.
W gazach cząsteczki znajdują się w dużych odległościach od siebie i zderzają się znacznie rzadziej niż w cieczach. Ich średnia droga swobodna jest stosunkowo duża. Z tego powodu dyfuzja w gazach zachodzi szybko. Z codziennego doświadczenia wiemy, że zapachy rozchodzą się w pokoju w czasie kilku sekund lub minut. Zmniejszenie ciśnienia gazu oznacza, że mniej cząsteczek przypada na jednostkę objętości i zderzenia zachodzą rzadziej niż przy wysokim ciśnieniu. Gdy ciśnienie maleje, zwiększa się średnia droga swobodna cząstek i dyfuzja zachodzi szybciej.
W cieczach cząsteczki znajdują się w mniejszych odległościach od siebie niż w gazach i zderzają się częściej. Dyfuzja w cieczach jest wolniejsza niż w gazach. Na co dzień spotykamy się z tym zjawiskiem, gdy na przykład solimy zupę albo dodajemy cukier do herbaty. Nawet bez mieszania po pewnym czasie stężenie cukru w herbacie lub soli w zupie wyrównuje się dzięki dyfuzji, ale trwa to dość długo i potrzeba sporo cierpliwości, aby doczekać się końca takiego procesu.
Dyfuzja w ciałach stałych zachodzi najwolniej. W ciałach stałych cząsteczki tworzą siatkę krystaliczną i nie mogą swobodnie przemieszczać się, a tylko wykonują drgania wokół swoich położeń równowagi. Jednak gdy zetkniemy ze sobą powierzchnie dwóch różnych ciał stałych, to po pewnym czasie w każdym z tych ciał można znaleźć cząsteczki drugiego ciała. Przyczyną zmiany rozmieszczenia atomów w sieci krystalicznej jest właśnie dyfuzja. Zdarza się, że cząsteczka znajdująca się na granicy dwóch ciał, otrzymuje przypadkowo większą energię kinetyczną, która pozwala jej opuścić swoje położenie i przemieścić się do sąsiedniego ciała.
Słowniczek
(ang.: molecular mass) masa jednej cząsteczki związku chemicznego.
(ang.: mean free path) średnia droga przebyta przez molekułę między kolejnymi zderzeniami.