§ 27. Диффузия

Определения и обозначения

Диффузия — взаимное проникновение частиц одного вещества между частицами другого, приводящее к их смешиванию. Например, запах постепенно заполняет комнату, а капля красителя — стакан воды. Это понятие нужно, чтобы объяснить смешивание без внешнего перемешивания.

Тепловое движение — непрерывное беспорядочное движение частиц вещества. Частицы не стоят неподвижно: они постоянно меняют направление и сталкиваются. Именно тепловое движение является причиной диффузии.

Молекула — мельчайшая частица вещества, сохраняющая его химические свойства. Молекулы слишком малы, чтобы увидеть их невооружённым глазом, но по их движению можно объяснить свойства вещества. Представление о молекулах помогает понять, что смешиваются не целые кусочки вещества, а его частицы.

Концентрация частиц — число частиц вещества в единице объёма. Если в одном месте частиц больше, чем в другом, говорят о различии концентраций. Сравнение концентраций помогает определить общий результат диффузии: вещество распространяется туда, где его частиц меньше.

Как это устроено

Частицы вещества находятся в непрерывном беспорядочном движении, поэтому при соприкосновении веществ они постепенно перемешиваются. Каждая частица движется в свою сторону и сталкивается с соседними, поэтому отдельные траектории не образуют прямого потока. Но множество случайных движений вместе приводит к проникновению частиц одного вещества в промежутки между частицами другого.

Диффузия происходит в газах, жидкостях и твёрдых телах, потому что частицы во всех веществах движутся. Различие состоит в том, насколько свободно частица может менять положение. В газах и жидкостях она перемещается заметнее, а в твёрдом теле в основном колеблется около определённого места, поэтому смешивание идёт иначе.

В газах диффузия идёт быстро, поскольку молекулы подвижны и сравнительно далеко расположены друг от друга. В жидкости частицы находятся ближе и сильнее мешают движению друг друга, поэтому процесс замедляется. В твёрдом теле частицы связаны особенно прочно и могут лишь постепенно переходить между соседними положениями, поэтому диффузия обычно очень медленная.

Диффузия идёт в направлении выравнивания концентраций. В среднем частиц из области, где их больше, переходит больше, чем обратно из области, где их меньше. Это не означает, что каждая молекула движется только в одну сторону: направленным оказывается общий результат движения огромного числа частиц.

При повышении температуры частицы движутся быстрее, потому что получают больше энергии для движения. Они чаще меняют положение и быстрее распространяются по объёму вещества. Поэтому диффузия обычно ускоряется при нагревании, хотя конкретная скорость зависит также от свойств веществ.

Диффузия в разных агрегатных состояниях

Таблица позволяет сравнить не только скорость диффузии, но и причину различий между средами. Чтобы сделать вывод, сначала определите агрегатное состояние, затем свяжите подвижность частиц с примером. Чем свободнее перемещаются частицы, тем быстрее обычно идёт смешивание.

Разбор задач

1. Краситель в воде

Условие. Каплю красителя добавили в стакан с водой. Нужно объяснить, почему со временем окрашивается весь объём воды.

1. Краситель распадается на очень мелкие частицы, а молекулы воды и красителя непрерывно движутся.
2. Из-за столкновений частицы красителя уходят из места, где их концентрация велика, и попадают в соседние области.
3. Постепенно частицы распределяются по всему стакану, хотя каждая из них движется беспорядочно.

Ответ. Весь объём воды окрашивается из-за диффузии — взаимного проникновения частиц красителя и воды.

2. Запах в тёплой комнате

Условие. Запах духов распространяется по комнате. Нужно объяснить, почему в тёплой комнате он быстрее достигает человека, чем в холодной.

1. Молекулы пахучего вещества смешиваются с молекулами воздуха благодаря тепловому движению.
2. При более высокой температуре частицы движутся быстрее и чаще меняют положение.
3. Поэтому за одинаковое время молекулы запаха проходят в среднем большее расстояние и быстрее достигают человека.

Ответ. В тёплой комнате диффузия обычно идёт быстрее, потому что тепловое движение частиц становится интенсивнее.

3. Два сосуда с газом

Условие. Два сосуда соединены трубкой: в одном находится газ с большей концентрацией молекул, в другом — с меньшей. Нужно описать изменение распределения.

1. Молекулы движутся в обе стороны, но из сосуда с большей концентрацией за одинаковое время в среднем уходит больше частиц.
2. В первом сосуде концентрация уменьшается, а во втором увеличивается, поэтому разница между ними становится меньше.
3. Когда концентрации выровняются, обмен частицами продолжится, но встречные переходы будут в среднем компенсировать друг друга.

Ответ. Газ распространяется от области большей концентрации к области меньшей, а процесс постепенно замедляется по мере выравнивания концентраций.

Типичные ошибки

Ошибка: считать диффузию только перемешиванием жидкости или газа. Так думают, потому что в опытах часто используют встряхивание, но оно лишь ускоряет процесс. Проверьте себя: если убрать внешнее перемешивание, частицы всё равно должны двигаться и смешиваться.

Ошибка: представлять, что все частицы движутся только к меньшей концентрации. Так происходит из-за упрощённой фразы о направлении диффузии, хотя каждая частица движется беспорядочно. Проверка проста: вспомните, что направленным является общий перенос множества частиц.

Ошибка: утверждать, что в твёрдых телах диффузии нет. Частицы твёрдого тела связаны сильнее, но не перестают двигаться совсем. Если процесс идёт очень медленно, это не значит, что он невозможен.

Ошибка: считать, что нагревание замедляет диффузию. Иногда медленное перемешивание в холодной жидкости принимают за общее правило. Проверьте вывод: при повышении температуры тепловое движение обычно ускоряется, значит, и диффузия идёт быстрее.

Связь с другими темами

До изучения диффузии нужно знать, что вещества состоят из частиц и что эти частицы непрерывно движутся. Без этих представлений невозможно объяснить смешивание веществ на уровне молекул.

Тема связана с агрегатными состояниями вещества. Разная скорость диффузии показывает, насколько различаются расстояния между частицами и свобода их движения в газе, жидкости и твёрдом теле.

Представление о движении и взаимодействии частиц пригодится при изучении тепловых явлений и переноса вещества. Позже эти идеи помогут объяснять нагревание, охлаждение и другие процессы.

Что запомнить

• Диффузия — взаимное проникновение частиц соприкасающихся веществ.
• Причина диффузии — непрерывное беспорядочное движение частиц.
• Диффузия происходит в газах, жидкостях и твёрдых телах.
• В газах диффузия обычно быстрее, чем в жидкостях и твёрдых телах.
• При повышении температуры диффузия обычно ускоряется.
• Диффузия постепенно приводит к выравниванию концентрации частиц.