Диффузия. Что это?

Первый пример. Все мы помним аромат маминой еды. Уже через несколько минут, когда была готова первая партия блинов, мы понимали, что нас ждёт на завтрак. 

Второй пример. В стакан воды капнем краситель. Сначала мы увидим между веществами чёткую границу, а краска осядет. Спустя несколько часов раствор станет равномерно окрашенным. 

Третий пример. Брусочки золота и свинца, соединим под прессом. Через пять лет металлы «проникнут» друг в друга на глубину около 1 мм. 

У этих опытов есть общее — они демонстрируют, что между молекулами существует пространство, в которое, двигаясь произвольно и непрерывно, проникают частицы другого вещества. 

Кстати к идее, что молекулы хаотично мобильны, подтолкнуло открытие ботаника Роберта Броуна. В 1827 году учёный проводил опыт — он добавил в воду пыльцу растений и наблюдал за взвесью в микроскоп. Он обнаружил, что частицы хаотично перемещаются. Причём мелкие быстрее, крупные — медленнее. Броун предположил, что пыльца — живой организм, но, как выяснилось, процесс не связан с ботаникой, а всё дело в физике. Это явление назвали Броуновским движением. Его суть в том, что частицы любого вещества непрерывно в случайном порядке сталкиваются с молекулами жидкости или газа, что приводит к их беспорядочному движению (подробнее на Skysmart). 

К слову, несмотря на то, что частицы движутся хаотично, явление, открытое Броуном, всё же можно описать с помощью математических методов. Впервые это сделал Альберт Эйнштейн, который применил этот эксперимент в доказательстве атомной теории строения вещества. 

Понятие диффузии

Приведённые примеры демонстрируют физический процесс — диффузию (лат. diffusio — распространение, растекание, рассеивание). Это взаимное проникновение молекул одного вещества в межмолекулярные промежутки другого вещества в результате их хаотичного движения и столкновений друг с другом.

Диффузия в газах, жидкостях и твердых телах

По результатам вышеописанных опытов можно заметить, что «перемешивание» в жидкостях происходит медленнее, чем в газах, а в твёрдых веществах ещё медленнее. Это следует из того, что расстояние между молекулами газа велико. И частицы другого вещества в нём легко перемещаются. Пространство между молекулами жидкостей меньше, чем их диаметр. При этом они могут также свободно перемещаться. А в твердых телах атомы и вовсе плотно упакованы в кристаллические решётки. Поэтому даже при давлении процесс длится несколько месяцев. 

Скорость диффузии

Мы знаем, что сахар в горячем чае растворяется быстрее, чем в холодном. Следовательно, можно сделать вывод, что на скорость взаимного проникновения частиц напрямую влияет температура. 

Проведём опыт. Нам понадобится четыре одинаковых колбы, синий и желтый краситель, горячую и холодную воду, две пластиковые карточки. 
1. Нальем немного желтого красителя в сосуды 1 и 2, синюю — в 3 и 4. 
2. Добавим горячую воду в ёмкости 1 и 2, холодную — в 3 и 4. 
4. Колбу 1 накроем пластиковой картой, перевернем вниз горлышком и поставим на 4.
 5. То же самое сделаем с колбой 3 и поставим на колбу 2. 
6. Удалим обе карты. 

Мы увидим, что в первом случае (колбы 1 и 4) горячая вода находится выше холодной, она стремится вверх, а холодная — вниз. Поэтому жидкости не смешиваются (пока температуры в сосудах не уравняются). Во втором случае (сосуды 2 и 3), холодная — сверху, горячая — снизу, и жидкости отлично диффундируют. 

Вывод: чем выше температура, тем активнее происходит диффузия. Это связано с тем, что с ростом температуры увеличивается скорость движения молекул. 
Например, при нагревании металлов до нескольких сотен градусов диффузия будет протекать не 5 лет, как в эксперименте со свинцом и золотом, а несколько суток. 

Диффузия в природе и промышленности

Благодаря диффузии необходимые питательные элементы проникают в корни растений, позволяя им развиваться, а кровь переносит кислород по организму человека. Некоторые запахи, распространяясь по воздуху и создавая ореол, отпугивают кровососущих насекомых. При сварке металлов также происходит диффузия. 

Вред диффузии

Есть такие примеры, когда это явление, напротив, наносит вред. Природный газ, например, который мы используем для приготовления пищи, не имеет запаха и бесцветный, поэтому его утечку трудно обнаружить. За счёт диффузии газ легко распространяется. Когда концентрация газа достигнет определенного значения, может произойти взрыв, например, от зажженной спички. Для того, чтобы утечку газа можно было обнаружить, в него добавляют одоранты с резким запахом. 

А опасные химвещества, попадая в реку или озеро, диффундируют с водой, и водоём очень сложно очистить.