Warto przeczytać

Cząsteczki cieczy i gazów poruszają się chaotycznie z wielkimi prędkościami,  nieustannie zmieniając (w wyniku zderzeń) kierunki i wartości swoich prędkości. Ten ruch nazywamy ruchem cieplnym lub ruchem termicznym. Jeśli w przedzielonym przegrodą naczyniu znajdą się dwie różne substancje (ciecze lub gazy) o zbliżonych gęstościach, to po usunięciu przegrody chaotyczny ruch cząsteczek doprowadzi do ich wymieszania (Rys. 1.). Zjawisko to nazywamy dyfuzją.

R4m6smw6gm8wf

Rys. 1. Rysunek poglądowy przedstawia graficzną ilustrację treści. Rysunek podzialony jest na 3 części A, B i C.
Rys. A. Na rysunku jest naczynie w kształcie prostopadłościanu, przedzielone na pół ścianką. Po lewej stronie ścianki znajduje się wiele niebieskich punktów, które symbolizują cząsteczki jednej z cieczy. Po prawej stronie ścianki znajduje się wiele czerwonych punktów, które symbolizują cząsteczki drugiej cieczy.

Rys. B. Nie ma już ścianki, która dzieliła naczynie na pół. Kilka niebieskich punktów przeszło na prawą stronę, a kilka czerwonych na lewą.

Rys. C. Czerwone i niebieskie punkty znajdują się w całym naczyniu dokładnie wymieszane.

Dyfuzja to rozprzestrzenianie i mieszanie się cząsteczek różnych substancji na skutek ich ruchów cieplnych. Ruch każdej cząsteczki jest całkowicie przypadkowy. Na Rys. 1. cząsteczki oznaczone kolorem niebieskim, początkowo znajdują się z lewej strony naczynia, a cząsteczki czerwone z prawej. Cząsteczki niebieskie są oddzielone od czerwonych nieprzepuszczalną przegrodą. Po usunięciu przegrody liczba niebieskich cząsteczek po prawej stronie zwiększa się, a czerwonych zmniejsza. Nie znaczy to wcale, że niebieskie cząsteczki nagle zaczynają się poruszać w prawo, a czerwone w lewo. Wręcz przeciwnie! Po upływie pewnego czasu każda z niebieskich cząsteczek może, z takim samym prawdopodobieństwem, znaleźć się na prawo lub na lewo od swego początkowego położenia. Dzieje się tak, ponieważ ruch każdej cząsteczki jest chaotyczny (tzn. losowy) i żaden kierunek nie jest wyróżniony. Po prostu, przed usunięciem przegrody prawa strona naczynia było niedostępna dla niebieskich cząsteczek. Gdy usunęliśmy przegrodę niebieskie cząsteczki zaczynają eksplorować prawą stronę naczynia, a czerwone jego lewą stronę. Efekt dokładnego wymieszania się substancji jest skutkiem przypadkowego ruchu cząsteczek.

Dyfuzja prowadzi do wyrównania stężeń poszczególnych składników. Po wyrównaniu stężeństężeniestężeń dyfuzja nie ustaje. Trwa nadal, choć dzięki dokładnemu wymieszaniu wszystkich składników, nie prowadzi już do zmian stężenia. Cieplnego ruchu cząsteczek nic nie jest w stanie powstrzymać.

Zjawisko dyfuzji jest procesem nieodwracalnym. Dobrze wiemy, że gdy dwa różne gazy lub ciecze zmieszają się ze sobą, to samoistnie nie rozdzielą się. Prawdopodobieństwo takiego zdarzenia jest praktycznie równe zeru.

Dyfuzja zachodzi w każdym stanie skupienia: gazowym, ciekłym i stałym.

W gazach cząsteczki znajdują się w dużych odległościach od siebie i zderzają się znacznie rzadziej niż w cieczach. Ich średnia droga swobodna, czyli średnia odległość przebyta przez cząsteczkę między kolejnymi zderzeniami, jest stosunkowo duża. Z tego powodu dyfuzja w gazach zachodzi szybko. Przykładem dyfuzji w powietrzu jest rozchodzenie się zapachów. Z doświadczenia wiemy, że zapach perfum rozpylonych w jednym końcu pokoju, już po kilku minutach, jest odczuwalny w całym pokoju. Dzięki dyfuzji cząsteczki substancji zapachowych unoszących się z kwiatów docierają na duże odległości, przez co owady mogą te kwiaty odnaleźć i zapylić (Rys. 2.).

R1MXPX6NoyY5w

Rys. 2. Zdjęcie poglądowe przedstawia w dużym powiększeniu środek żółtego kwiatu z widocznymi pręcikami pokrytego pyłkiem kwiatowym. Nad pręcikami unosi się pszczoła. Dzięki dyfuzji owady wabione zapachem znajdują pożywienie, a przy okazji zapylają rośliny.

Prawdą jest jednak, że dyfuzja może być też szkodliwa. Przemieszczanie się szkodliwych pyłów i gazów powoduje powstanie smogu daleko od miejsca ich powstania. Rozprzestrzenianie się drogą kropelkową chorób zakaźnych to również skutek dyfuzji.

W cieczach cząsteczki znajdują się w mniejszych odległościach od siebie niż w gazach i zderzają się częściej. Dyfuzja w cieczach jest wolniejsza. Na co dzień spotykamy się z tym zjawiskiem, gdy na przykład dolewamy sok owocowy do wody. Po pewnym czasie stężenie soku w wodzie wyrównuje się. Dzieje się tak na skutek dyfuzji, choć z doświadczenia wiemy, że bez mieszania proces ten może trwać dość długo. Mieszanie wody z sokiem przyspiesza ten proces. Mamy wtedy do czynienia z dyfuzją wymuszoną ruchem ośrodka.

Negatywne skutki dyfuzji w cieczach to choćby rozprzestrzenianie się spowodowanego ściekami zanieczyszczenia wód.

W ciałach stałych dyfuzja zachodzi najwolniej. Jest to spowodowane tym, że cząsteczki ciał stałych tworzą siatkę krystaliczną i nie mogą się swobodnie przemieszczać - wykonują jedynie drgania wokół swoich położeń równowagi. Gdy jednak zetkniemy ze sobą powierzchnie dwóch różnych ciał stałych, wtedy po dłuższym czasie w każdym z 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 dużą energię kinetyczną, która pozwala jej opuścić swoje położenie i przemieścić się do sąsiedniego ciała. Proces ten jest podobny do procesu sublimacji, gdy cząsteczki opuszczają ciało stałe przechodząc w stan gazowy. Różnica jest taka, że w procesie dyfuzji cząsteczki przechodzą do sąsiedniego ciała stałego.

Proces dyfuzji w ciałach stałych jest jedną z przyczyn degradacji elementów elektronicznych, ale warto też wiedzieć, że dyfuzja w ciałach stałych jest niekiedy bardzo użytecznym zjawiskiem. Przykładem jest wykorzystanie procesu dyfuzji w produkcji elementów półprzewodnikowychpółprzewodnikpółprzewodnikowych. Fizycy, poszukując półprzewodnikówpółprzewodnikpółprzewodników o nowych właściwościach, domieszkują znane półprzewodniki atomami metali i innych pierwiastków, czyli umieszczają w sieci krystalicznej półprzewodnika obce atomy. Zapewne spytacie: Jak się to robi? Przecież atomy są tak małe, że nawet nie można ich dostrzec pod mikroskopem, a co dopiero nimi manipulować. Cały proces zaczyna się od dokładnego oczyszczenia powierzchni półprzewodnika z wszelkich zanieczyszczeń i tlenków. Następnie w komorze próżniowej oczyszczoną powierzchnię półprzewodnika napyla się parami metalu doprowadzonego do wrzenia. Półprzewodnik z napyloną powierzchnią umieszcza się na kilka godzin, lub nawet na kilka dni, w piecu o wysokiej temperaturze. Wtedy właśnie zachodzi proces dyfuzji atomów napylonych metali do wnętrza półprzewodników. Atomy metalu wnikają do półprzewodnika tworząc domieszki, które modyfikują właściwości elektryczne i magnetyczne materiału.

Z procesem dyfuzji związana jest osmoza. Polega ona na spontanicznym przenikaniu cząsteczek rozpuszczalnika, na przykład wody, przez półprzepuszczalną błonę z roztworu o niższym stężeniustężeniestężeniu substancji rozpuszczonej do roztworu o stężeniu wyższym. Prowadzi to do wyrównania stężeństężeniestężeń obu roztworów. Półprzepuszczalna błona (membrana) ma inną przepuszczalność dla rozpuszczalnika i inną dla substancji rozpuszczonej. Możemy to sobie wyobrażać jako drobne otworki w błonie, przez które mogą przejść tylko małe cząsteczki rozpuszczalnika, podczas gdy większe cząsteczki substancji rozpuszczonej są dla tych otworów zbyt duże.

Zjawisko osmozy występuje powszechnie z przyrodzie. Rośliny wykorzystują je na przykład do transportu wody od korzeni do liści. U zwierząt jest elementem procesów homeostazy, czyli utrzymywania równowagi wewnętrznej organizmów. Inny przykład procesu biologicznego wykorzystującego osmozę, to płukanie gardła stężonymi roztworami soli – pozbawia ono komórki bakterii wody powodując ich śmierć.

Dlaczego w wyniku osmozy stężenia się wyrównują? Rozważmy roztwór cukru w wodzie rozdzielony błoną półprzepuszczalną. Na Rys. 3. cząsteczki cukru zostały oznaczone czerwonym kolorem, a wody - niebieskim. Po prawej stronie znajduje się roztwór o większym stężeniu, a po lewej roztwór o mniejszym stężeniu. Gdy oznaczona niebieskim kolorem cząsteczka wody poruszając się natrafi na otwór w błonie przejdzie przez niego na drugą stronę. Stanie się tak bez względu na to, po której stronie błony znajdowała się ta cząsteczka. Ale w roztworze o mniejszym stężeniu cukru jest więcej cząsteczek wody, a mniej cząsteczek cukru w jednostce objętości. Z tego powodu cząsteczki wody z tej strony częściej trafiają w otwory błony niż ma to miejsce po drugiej stronie. W efekcie nieco więcej takich cząsteczek przenika w kierunku roztworu o większym stężeniu niż w przeciwną stronę. W rezultacie stężenie roztworu w części (a) zwiększa się, a w części (b) zmniejsza. Prowadzi to to wyrównania stężeń roztworów.

RUXmOm0zOAYk3

Rys. 3. Rysunek przedstawia graficzną ilustrację treści w podziale na część a i b. Na rysunku jest naczynie w kształcie prostopadłościanu, przedzielone na pół błoną. Po obu stronach błony narysowane są małe, niebieskie kółka, symbolizujące cząsteczki wody, oraz duże, czerwone kółka, symbolizujące cząsteczki cukru. Z lewej strony błony, w części A, jest dużo cząsteczek wody i mało cząsteczek cukru. W części B, z prawej strony błony, jest mało cząsteczek wody i dużo cząsteczek cukru.

Dyfuzja w gazach i cieczach powoduje wyrównywanie się temperatur i stężeń składników. Podobny skutek wywołuje też inne zjawisko – konwekcjakonwekcjakonwekcja. Pomimo podobnych skutków obu tych zjawisk, różnią się one zasadniczo. Przeanalizujmy różnice między nimi:

Słowniczek