Какие факторы влияют на скорость диффузии?

Диффузия лежит в основе многих явлений, известных нам из повседневной жизни. Иногда эти явления благотворны, иногда – совсем наоборот. Например, благодаря диффузии ароматные молекулы цветов распространяются по воздуху, чтобы насекомые могли их найти и опылить. Однако диффузия также ответственна за распространение загрязняющих воздух веществ и образование смога (рис. 1.), который угрожает людям даже на большом расстоянии от дымоходов, выделяющих вредные вещества. Несомненно, важно знать: от чего зависит скорость диффузии и какие вещества диффундируют быстрее, а какие медленнее.

Город в смоге
Рис. 1. Смог – это туман, смешанный с дымом и выхлопными газами. Знаете ли вы, что состояние воздуха в России и Беларуси контролируется на постоянной основе и может быть проверено в любое время с помощью одной из многочисленных так называемых “карт загрязнения”, доступных в Интернете?

Диффузия на микроскопическом и макроскопическом уровне

Частицы жидкостей и газов хаотично движутся с большими скоростями, постоянно меняя направления и значения своих скоростей при столкновениях. Это движение называется тепловым движением.

Диффузия – это распространение и смешивание молекул вследствие теплового движения.

Примерами диффузии являются: распространение запахов в неподвижном воздухе, смешивание воды и молока, налитых в один сосуд, или выравнивание по всему объему водоема концентрации попавших в него примесей.

На рис. 2. показаны цветные чернила, налитые в сосуд с водой. Цветные пятна распространяются и меняют форму, пока в конечном итоге вся вода не станет однородно окрашенной.

В макроскопическом масштабе диффузия – это необратимый процесс, который приводит к выравниванию концентраций различных компонентов жидкости или газа. На микроскопическом уровне диффузия обусловлена хаотическими, тепловыми движениями молекул.

Движение каждой молекулы совершенно случайно – не выделяется ни одно направление. Эффект тщательного перемешивания вещества обусловлен тем, что огромное количество молекул движется беспорядочно.

Диффузия цветных чернил в воде
Рис. 2. Диффузия цветных чернил в воде

От чего зависит скорость диффузии?

Когда частицы имеют высокую скорость и, следовательно, высокую кинетическую энергию, они могут преодолевать большие расстояния за короткое время. Мерой средней кинетической энергии частиц является температура по абсолютной шкале. Отсюда вывод: диффузия происходит быстрее при более высоких температурах. Другими словами, скорость диффузии зависит от температуры.

В домашних условиях можно провести небольшой опыт и убедится в этом. Например, взять 2 стакана воды. В одном будет вода комнатной температуры (22 0С), а во втором подогретая до 50 0С. Если мы добавим любой пищевой краситель в каждый из стаканов, то увидим, как скорость диффузии пищевого красителя зависит от температуры воды в стакане. То есть мы увидим как более теплая вода значительно быстрее окрашивается.

Однако помните, что две частицы с одинаковыми кинетическими энергиями, но разными массами имеют разные скорости. Чем меньше масса частицы, тем больше ее скорость. Это следует из формулы для кинетической энергии: Ek = m * v2 / 2 .

Поэтому при одинаковой температуре частицы меньшей массы будут диффундировать (распространяться) быстрее, чем частицы большей массы.

Скорость диффузии тем больше, чем меньше молекулярный вес диффундирующих веществ.

Скорость диффузии выше в средах, молекулы которых совершают направленное движение. Например, молоко быстрее смешается с кофе, если его размешать ложкой. Этот пример иллюстрирует так называемую принудительную диффузию. Явление принудительной диффузии часто используется хищниками, которые приближаются с подветренной стороны (т.е. со стороны, с которой – с точки зрения хищника – дует ветер) и незаметны для своей жертвы.

На скорость диффузии также влияет то, как часто молекула сталкивается с другими молекулами. Столкновения происходят реже, если средний свободный пробег, т.е. среднее расстояние, пройденное молекулой между последовательными столкновениями, больше. Меньшее количество столкновений означает более быстрый процесс диффузии. Конечно, средний свободный путь молекул зависит от состояния агрегации вещества.

Диффузия зависит от агрегатного состояния и свойств среды, в которой она происходит.

В газах молекулы находятся на большом расстоянии друг от друга и сталкиваются гораздо реже, чем в жидкостях. Их средний свободный пробег относительно велик. По этой причине диффузия в газах происходит быстро. Из повседневного опыта мы знаем, что запахи распространяются по помещению за считанные секунды или минуты. Снижение давления газа означает, что на единицу объема приходится меньше молекул и столкновения происходят реже, чем при высоком давлении. При снижении давления средний свободный пробег частиц увеличивается, и диффузия происходит быстрее.

В жидкостях молекулы находятся на меньшем расстоянии друг от друга, чем в газах, и сталкиваются чаще. Диффузия в жидкостях происходит медленнее, чем в газах. Мы сталкиваемся с этим явлением каждый день, например, когда солим суп или добавляем сахар в чай. Даже без перемешивания через некоторое время концентрация сахара в чае или соли в супе выравнивается за счет диффузии, но это занимает много времени, и нужно много терпения, чтобы увидеть, как процесс подходит к концу.

Диффузия в твердых телах самая медленная. В твердых телах молекулы образуют кристаллическую решетку и не могут свободно двигаться, а лишь колеблются вокруг своих равновесных положений. Однако, когда поверхности двух различных твердых тел приводятся в контакт друг с другом, молекулы другого твердого тела могут быть обнаружены в каждом из них через некоторое время.

Диффузия является причиной изменения расположения атомов в кристаллической решетке. Случается, что молекула на границе между двумя телами случайно получает более высокую кинетическую энергию, что позволяет ей покинуть свое положение и перейти к соседнему телу.

Список использованной литературы

  1. Перышкин А.В. Физика. 7 кл. – 14-е изд., стереотип. – М.: Дрофа, 2010.
  2. Перышкин А.В. Сборник задач по физике, 7 – 9 кл.: 5-е изд., стереотип. – М: Издательство «Экзамен», 2010.