Warto przeczytać

Dyfuzja to samorzutne rozprzestrzenianie i mieszanie się cząsteczek różnych substancji. Przyczyną jest chaotyczny ruch cząsteczek i ich ciągłe zderzenia. Dyfuzja zachodzi w gazach, cieczach i ciałach stałych. Dyfuzja w ciałach stałych jest bardzo wolna i nie można jej bezpośrednio obserwować. (Więcej o dyfuzji w ciałach stałych przeczytasz w e‑materiale „Na czym polega zjawisko dyfuzji?”) Za to możemy obserwować dyfuzję w gazach i cieczach. To właśnie dyfuzja powoduje, że w powietrzu rozchodzą się zapachy.

Dyfuzję w cieczach obserwujemy często w życiu codziennym. Wiemy, że zaledwie kropla soku z cytryny wpuszczona do szklanki wody zmieni smak całej wody. Jeśli przypadkiem do napoju dostanie się odrobina niejadalnej substancji, na przykład płynu do zmywania, to nie uda nam się jej usunąć – cały napój trzeba wylać. Przyczyną jest zjawisko dyfuzji. Cząsteczki detergentu szybko rozprzestrzeniają się w napoju i nigdy nie powrócą do pierwotnego położenia. Zjawisko dyfuzji jest bowiem procesem nieodwracalnym. Dobrze wiemy, że gdy dwa różne gazy lub ciecze zmieszają się ze sobą, to samoistnie nie rozdzielą się.

Zastanówmy się nad mechanizmem dyfuzji w cieczach. Na Rys. 1a. pokazane jest naczynie, w którym po dwóch stronach przegrody znajduje się woda zabarwiona na różowo i czysta woda. Gęstość obu cieczy jest taka sama. Po usunięciu przegrody (Rys. 1b.) obserwujemy, jak różowe zabarwienie przesuwa się w prawo. Jeśli moglibyśmy śledzić ruch jednej cząsteczki barwnika, to niekoniecznie stwierdzilibyśmy, że przesunęła się w tę samą stronę. Ruch każdej cząsteczki jest całkowicie przypadkowy i żaden kierunek nie jest wyróżniony. Na Rys. 1b. pokazany jest tor przykładowej cząsteczki barwnika, która przesunęła się od punktu 1 do 2, akurat w przeciwną stronę niż kierunek dyfuzji. Jednak większość cząsteczek barwnika przesunęła się zgodnie z kierunkiem dyfuzji i dlatego możemy obserwować efekt rozprzestrzeniania się barwnika. Efekt ten jest skutkiem ogromnej liczby cząsteczek.

RMbkMyHHNIkKF

Rys. 1. Ilustracja stanowi dwie części opisane małą literą a i małą literą b. W części opisanej małą literą a pokazano naczynie w postaci poziomego prostokąta, podzielone pionową kreską na dwie równe części. W obu częściach znajduje się woda, ale po prawej stronie naczynia woda jest czysta pokazana jako niebieski płyn, a w lewej części naczynia woda jest zabarwiona na czerwono. Przegroda jest szczelna, a zatem woda czysta nie miesza się z wodą domieszkowaną barwnikiem. W części ilustracji opisanej małą literą b pokazano to samo naczynie, ale z usuniętą przegrodą. Woda domieszkowana barwnikiem miesza się z wodą czystą, co widoczne jest w postaci rozprzestrzeniającej się czerwonej smugi w prawej części naczynia. Na tle rozprzestrzeniającej się czerwonej smugi widoczny jest tor cząstki wody domieszkowanej barwnikiem. Tor pokazano w postaci czarnej krzywej łamanej. Jest on chaotyczny i odbywa się pomiędzy punktami oznaczonymi cyfrą jeden i cyfrą dra. Początkowo cząstka podąża w górę i w prawo, następnie w górę i w lewo, by w kolejnej fazie ruchu poruszać się w dół i prawo, a następnie w lewo, zatoczyć pętlę i końcowo poruszać się prawie poziomo w lewo. W realnych warunkach tor ruchu cząsteczki nie jest do przewidzenia.

Zjawisko dyfuzji obserwujemy w skali makroskopowej jako proces ukierunkowany, prowadzący do wyrównywania stężeństężeniestężeń składników cieczy. Jednak przyczyną dyfuzji na poziomie mikroskopowym są chaotyczne i nieuporządkowane ruchy cząsteczek.

Zjawisko dyfuzji łatwo zaobserwować, gdy wpuścimy do naczynia z wodą nieco atramentu. Można wtedy na własne oczy zobaczyć, jak cząsteczki barwnika mieszają się z cząsteczkami wody, tworząc barwne obrazy (Rys. 2.).

R12jx1JhlQkbs

Rys. 2. Zdjęcie przedstawia przezroczystą szklankę wypełnioną wodą. Do szklanki wpuszczono niewielką ilość niebieskiego atramentu, który rozprzestrzenia się w wodzie w postaci niebieskiej smugi. Kolor smugi w górnej części naczynia jest intensywniejszy, ponieważ atrament nie rozrzedził się jeszcze, ale wraz z opadaniem i zwiększaniem się objętości smugi staje się on coraz bledszy. Zdjęcie prezentuje zjawisko dyfuzji na przykładzie cząstek atramentu rozprzestrzeniających się w wodzie.

Szybkość dyfuzji zależy od temperatury. Cząsteczki o dużych prędkościach mogą w krótkim czasie pokonać duże odległości. Miarą średniej energii kinetycznej cząsteczek jest temperatura. Jeśli więc temperatura jest wyższa, to większa jest średnia energia kinetyczna cząsteczek i tym samym większe ich prędkości.

Szybkość dyfuzji wzrasta wraz z temperaturą.

Wykorzystujemy to zjawisko w życiu codziennym. Dobrze wiemy, że łatwiej zmyć zabrudzenie gorącą wodą niż zimną. Drobinki brudu szybciej zmieszają się z wodą o wyższej temperaturze i mogą być usunięte.

Temperatura określa średnią energię kinetyczną cząsteczek. Ale ich średnia prędkość zależy też od masy cząsteczki. Przyjrzyjmy się wzorowi na energię kinetyczną

Przy tej samej energii większą prędkość ma ciało o mniejszej masie. Wynika z tego, że substancje o mniejszych cząsteczkach w danej temperaturze poruszają się średnio z większą prędkością, więc dyfundują szybciej niż substancje o dużych cząsteczkach.

Popatrz na Rys. 3. Przedstawiono na nim dwa naczynia przegrodzone w połowie i wypełnione wodą. Do jednego naczynia dodano substancję o małych cząsteczkach (a), a do drugiego substancję o dużych cząsteczkach (b). (Oczywiście cząsteczki przedstawione są symbolicznie – proporcje ich rozmiarów i rozmiarów naczynia nie mają nic wspólnego z rzeczywistością.) W obu naczyniach temperatura jest taka sama, więc jednakowa jest średnia energia kinetyczna cząsteczek, ale średnie prędkości dużych cząsteczek są mniejsze niż średnie prędkości małych cząsteczek. Przykładowe prędkości kilku cząsteczek przedstawione są w postaci wektorów na rysunkach (a) i (b). Gdy przegroda zostanie usunięta, cząsteczki mogą poruszać się w całym naczyniu z wodą. W czasie, gdy szybkie, małe cząsteczki dotrą do końca naczynia (c), wolniejsze, duże cząsteczki przebędą krótszą drogę (d).

Szybkość dyfuzji jest tym większa, im mniejsza jest masa cząsteczkowa substancji.

R8ZUzRSckNUri

Rys. 3. Na czterech schematycznych rysunkach przedstawiono zjawisko dyfuzji cząstek o różnej wielkości i masie. Rysunek opisany małą literą a, umieszczony w lewym górnym rogu, przedstawia niebieski prostopadłościenny pojemnik podzielony na dwie równe części przy pomocy pionowej przegrody. W lewej części pojemnika znajdują się cząsteczki czarnej substancji, do których przyłożono czerwone strzałki. Strzałki symbolizują kierunek ruchu i prędkość cząsteczek. Cząsteczki poruszają się w sposób chaotyczny. Rysunek opisany małą literą b umieszczono po lewej stronie, poniżej rysunku a. Prezentuje to samo naczynie, co na rysunku a, pojemnik również podzielono na dwie równe części przy pomocy pionowej przegrody. W lewej części pojemnika poruszają się chaotycznie cząsteczki czarnej substancji, do których przyłożono czerwone strzałki. Strzałki symbolizują kierunek ruchu i prędkość cząsteczek. Cząsteczki są znacznie większe niż na rysunku a, natomiast czerwone strzałki symbolizujące ich ruch są znacznie krótsze. Na rysunku opisanym małą literą c, po prawej stronie, pokazano taki sam pojemnik jak na pozostałych rysunkach, z taką samą liczbą cząsteczek czarnej substancji jak na rysunku a, ale rozmieszczono je w całej objętości naczynia. Podobnie na rysunku opisanym małą literą d, w tym przypadku pojemnik również nie jest przedzielony przegrodą. Cząsteczki, których jest taka sama liczba jak na rysunku b, rozmieszczone są prawie w całej objętości naczynia, w taki sposób, że nie są widoczne w najbardziej skrajnej jego prawej części. Z porównania rysunków c i d wynika, że szybkość dyfuzji zależy od masy cząsteczek składających się na substancję. Cząsteczki o większej masie poruszają się wolniej, a zatem czas na ich równomierne rozprzestrzenienie się w całej objętości naczynia jest dłuższy.

Zjawisko dyfuzji jest dowodem na to, że materia składa się z atomów i cząsteczek.

Słowniczek