§ 42. ДИФФУЗИЯ

Диффузией называется обусловленное тепловым движением молекул проникновение одних веществ в объем, занятый другими веществами. Первые опыты по исследованию диффузии в газах принадлежат Лошмидту (1860 г.). Нижнюю половину стеклянной трубки длиной 1 м, находящейся в вертикальном положении, он

заполнял углекислым газом, а верхнюю — водородом (более легкий газ находился сверху, чтобы устранить механическое перемешивание газов). Содержание обеих половин трубок исследовалось через полчаса. При этом оказалось, что в верхнюю половину трубки проникло 37% углекислого газа.

Диффузия приводит в конце концов к полному перемешиванию разнородных газов (к выравниванию их концентраций). Жидкости будут неограниченно диффундировать друг в друга лишь в том случае, если они способны смешиваться друг с другом в любых пропорциях. Неограниченная диффузия наблюдается при контакте воды и спирта, воды и эфира, керосина и растительного масла. Но имеются жидкости, не вполне смешивающиеся друг с другом. При контакте таких жидкостей вначале наблюдается диффузия, но затем она приостанавливается из-за ограниченной взаимной растворимости жидкостей.

В изотермических условиях диффузия возникает вследствие наличия градиента концентрации вещества, она направлена в сторону убыли концентрации и заканчивается после выравнивания концентрации по всему объему вещества. Такая диффузия называется концентрационной. Если концентрация вещества изменяется в направлении оси х, то перенос вещества вследствие диффузии через площадку нормальную к оси х, описывается законом

где масса вещества, переносимая через площадку за время при градиенте концентрации коэффициент диффузии, зависящий как от свойств вещества, так и от условий, при которых имеет место диффузия. Уравнение (42.1) было введено Фиком (Швейцария, 1855 г.) по аналогии с законом теплопроводности Фурье (40.1).

Перепишем (42.1):

Это выражение определяет плотность диффузионного потока: количество вещества, переносимого путем диффузии через единицу площади за единицу времени в направлении убыли концентрации. Из (42.2) следует, что

Коэффициент, диффузии численно равен количеству вещества, переносимого через единичную площадку за единицу времени при единичном градиенте плотности. Коэффициент диффузии измеряется в системе СИ в в системе СГС в

Уравнение Фика (42.2) можно использовать как для описания диффузии одного вещества (газа или жидкости) в область, занятую другим веществом, так и для описания диффузии в среде с однотипными молекулами (самодиффузии). Фактором, вызывающим самодиффузию, является градиент плотности вещества. Самодиффузия поддается экспериментальному исследованию с помощью «меченых» (радиоактивных) атомов или молекул. При самодиффузии концентрация «меченых» атомов в веществе выравнивается. Коэффициент самодиффузии определяется по числу радиоактивных атомов (молекул), проникших в объем, содержащий химически тождественные, но не радиоактивные атомы.

В таблице VIII приводятся значения коэффициентов самодиффузии некоторых газов и жидкостей, а также коэффициентов диффузии веществ в разбавленных растворах (например, разбавленного брома в бензоле). Приведенные значения коэффициентов диффузии в получены при атмосферном давлении.

Таблица VIII (см. скан) Коэффициент диффузии некоторых веществ

Из приведенных данных видно, что диффузия в жидкостях протекает гораздо медленнее, чем в газах. Из опытов также установлено, что при повышении температуры коэффициент диффузии увеличивается как в газах, так и в жидкостях. В газах эта величина зависит еще и от давления — при увеличении давления (плотности газов) коэффициент диффузии уменьшается.