拡散の例

拡散は 、粒子が高濃度にある領域から低濃度にある別の領域への粒子の正味の移動がある物質輸送プロセスです。簡単に言えば、拡散は濃度の違いによって引き起こされる物質の動きです。

拡散は何百年も前から知られています。パン屋から焼きたてのパンの匂いがしたり、数メートル離れた別の部屋にいてもキッチンからコーヒーの匂いがしたり、近くを通り過ぎるたびにお香の匂いがしたりします。寺院。

経験は、これが受動的で自発的なプロセスであることを教えてくれます。第一に、それはエネルギーの入力を必要としないため、第二に、私たちが望むかどうかにかかわらず、空間の2つの場所の間に濃度の違いがあるときはいつでも起こるからです.

拡散に影響を与える要因

拡散プロセスは、粒子が拡散している媒体と粒子自体の特性の両方に関連するいくつかの変数に依存します。

集中

拡散が発生するための決定要因は、濃度勾配があることです。つまり、粒子が一方から他方に拡散するには、空間内の 2 点で粒子の濃度に差がなければなりません。

濃度勾配は、空間 (または媒体) の 2 点における物質の濃度の差と 2 点間の距離との商として表されます。数学的には、これは次のように記述されます。

重要なのは濃度そのものではなく、濃度の違いがあるということです。空間内の 2 点が非常に高い濃度を持っているが、それらが両方とも等しい場合、2 点間に拡散はありません。

温度

拡散は、物質を構成する粒子があらゆる方向にランダムに移動することによって発生します。ブラウン運動と呼ばれるこの運動は、それを発見した 19 世紀の植物学者ロバート・ブラウンにちなんで名付けられたもので、絶え間ない熱的攪拌下にある物質を構成する粒子間の衝突から生じます。

熱攪拌は温度とともに増加するため、拡散プロセスは温度が高いほど速くなります。

それが普及している媒体

そのようには見えないかもしれませんが、拡散は気体、液体、固体など、あらゆる種類の物質で発生する可能性があります。ただし、プロセスは各メディアで同じではありません。

たとえば、コーヒーの香りは空気中はよく拡散しますが、金属は拡散しません。これを証明するのは、コーヒーで満たされた密封された魔法瓶は、蓋を開けた瞬間までコーヒーの香りを発しないという事実です。ただし、完全に不浸透性の素材は存在しないため、十分な時間が経過すると、最終的には芳香族コーヒーの粒子が金属を通って拡散します。

粒子の質量

粒子の質量は、拡散速度に直接影響します。重い粒子は、特定の温度で軽い粒子よりもゆっくりと移動する傾向があります。このため、粒子が重いほど拡散は遅くなります。

粒子の形状とサイズ

質量に依存することに加えて、粒子の形状は、さまざまな媒体に拡散する能力に大きく影響します。粒子が小さく、より球形であるほど、さまざまな媒体を介して拡散する能力が向上します。

拡散方程式

拡散過程は、主にグラハムの法則とフィックの法則によって特徴付けられます。

グラハムの法則

グラハムの法則によれば、2 つのガスが互いに拡散するとき、拡散速度は密度の 2 乗に反比例します。ガスの密度はそのモル質量に比例することがわかりました。これにより、ガスのモル質量に関してグラハムの法則を述べることができます。グラハムの法則では、2 つの気体 A と B について、それらの拡散速度の関係は次のように表されます。

ここで、v _Aと v _{B は}各ガスの平均拡散速度を表し、M _Aと M _Bはそれぞれのモル質量を表します。

フィックの法則

フィックの法則は、拡散プロセスを支配する数式です。そのソリューションにより、媒体を介した物質の拡散速度を定量化し、粒子の濃度が時間の関数として特定の時点でどのように変化するかを判断することができます。

フィックの第一法則

フィックの第 1 法則の最も単純な形式は次のようになります。

ここで、J は特定の点で単位面積および単位時間あたりに通過する粒子の数を表し、D は拡散係数と呼ばれる比例定数、φ は濃度、 xは位置を表します。

商dφ/dx は1 次元 (記事の冒頭で定義したものと同等) での濃度勾配を表すため、フィックの第 1 法則は実際には拡散が濃度勾配に正比例することを表しています。さらに、シフトが高濃度から低濃度へのシフトであること (したがって、式のマイナス記号) と、比例定数が拡散係数であることも示します。

フィックの第二法則

Fick の第 2 法則は次のように与えられます。

左の要素は、空間内の特定の点における時間の経過に伴う濃度の変化率を表すため、この法則により、物質の濃度が拡散によって時間の経過とともにどのように変化するかを判断できます。拡散勾配がない場合、式の右辺がゼロ (0) であるため、濃度の変化率もゼロになり、したがって、濃度は時間の経過とともに変化しないことがわかります (一定のままです）。

拡散の例

細胞膜を介した拡散

二酸化炭素などの脂溶性物質が細胞膜を通過するプロセスは、フィックの法則に支配される単純な拡散プロセスです。この場合、拡散は、溶質の脂溶性、細胞内外の溶質の濃度、膜の厚さ、およびその他の変数に依存します。

密室での香水の拡散

部屋の片側に香水を置いて、しばらくすると香水の匂いが鼻孔に届く人を見たことがあるでしょう。これは、空気中の芳香族粒子の拡散のおかげで発生します。

シャツ生地へのインクの拡散

固形物を介した拡散の不幸な例は、インクの滴が布に落ちたときに起こることです. しばらくすると、液滴は拡散によって材料全体に広がります。

コップ一杯の水に一滴の染料

これは、観察が非常に簡単なため、液体媒体中の拡散プロセスの典型的な例です。水の入ったグラスに食品着色料を一滴注意深く入れると、最初に一滴が底に落ち、側面に小さな色のアラベスクが生成される様子を観察できます。これは拡散ではなく、機械的混合です。

ただし、一定の時間が経過すると、液体の流れがすべて消散した後、滴は静止したままになります。その瞬間から、色が最も強い場所の周りに一種の拡散ハローの外観が見られ、時間が経つにつれて、そのハローはどんどん大きくなりますが、常に薄れます.最初の近くでは暗く見え、完全に最後は透明。それが拡散プロセスの目印です。それはゆっくりとしたプロセスであり、物質がより濃縮されている場所から濃縮されていない場所へと常に移動します。

ガラスを振らなくても、長い時間が経つと、色がより均一になることに気付くでしょう。これは、拡散によって溶液がゆっくりと均質化されたためです。

参考文献

Macneill、H.、Battaglia、G.、Carpi、A.（nd）。拡散 – はじめに。https://www.visionlearning.com/es/library/Qu%C3%ADmica/1/Difusi%C3%B3n/216から取得

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Sanboh Lee、HY Lee、IF Lee、CY Teeng (2004)。 水中でのインクの拡散。Eur. J. Phys. 25. 331-336. http://mitgcm.org/~edhill/Tracer_work/papers/ejp4_2_020.pdfから取得