§ 10. Диффузия в газах, жидкостях и твёрдых телах

физическое явление взаимного проникновения соприкасающихся веществ друг в друга, обусловленное непрерывным беспорядочным (хаотическим) тепловым движением составляющих их молекул.

• 1. Молекулярный механизм — молекулы одного вещества проникают в межмолекулярные промежутки другого вещества за счёт собственного движения, в результате чего концентрация веществ постепенно выравнивается до достижения полной однородности смеси.
• 2. Универсальность — диффузия самопроизвольно и непрерывно протекает во всех агрегатных состояниях вещества: в газах, жидкостях и твёрдых телах, но протекает с существенно различной скоростью.
• 3. Биологическая роль — диффузия лежит в основе жизненно важных процессов живой природы: дыхания растений и животных, транспирации листьев, почвенного питания корней, газообмена в лёгочных альвеолах и всасывания питательных веществ стенками тонкого кишечника.

процесс самопроизвольного выравнивания концентраций и перемешивания различных газов или паров при соприкосновении:

• 1. Высокая скорость протекания — протекает быстрее всего (за секунды или минуты), так как молекулы газа разделены огромными межмолекулярными промежутками и перемещаются с огромными тепловыми скоростями (сотни метров в секунду).
• 2. Экспериментальное наблюдение — мысленный или лабораторный опыт с сосудом, разделённым задвижкой: при удалении перегородки фиолетовые пары иода быстро и равномерно заполняют вторую половину сосуда, занятую воздухом.
• 3. Роль конвекции — в открытом пространстве быстрое распространение запахов облегчается движением воздушных масс (ветром и сквозняками), однако даже в идеально спокойном воздухе диффузия неизбежно приводит к распространению пахучих веществ.

взаимное проникновение молекул контактирующих жидких сред:

• 1. Скорость протекания — протекает заметно медленнее, чем в газах (дни, недели или месяцы), поскольку молекулы жидкости расположены плотно, а межмолекулярные промежутки соизмеримы с размерами самих молекул.
• 2. Опыт с медным купоросом — при аккуратном наливании воды поверх голубого раствора медного купороса ($\text{CuSO}_4$) сначала наблюдается резкая граница раздела; через несколько дней граница размывается, а спустя месяц раствор становится однородным по всему объёму.
• 3. Характер молекулярных перескоков — молекулы жидкости совершают короткие колебания около временных центров равновесия и лишь время от времени перескакивают на соседнее вакантное место, обмениваясь позициями с соседними молекулами.

проникновение атомов или молекул одного твёрдого тела в кристаллическую структуру другого твёрдого тела при их тесном контакте:

• 1. Экстремально малая скорость — процесс протекает годами и десятилетиями из-за жёсткой упорядоченности кристаллической решётки и прочных межатомных связей.
• 2. Классический опыт со свинцом и золотом — гладко отшлифованные и сжатые пластины золота и свинца за три года взаимно проникают друг в друга на глубину около $1\text{ мм}$, образуя в зоне контакта сплав золота со свинцом.
• 3. Практическое значение — диффузия в твёрдых телах применяется в металлургии и микроэлектронике (диффузионная сварка металлов, цементация стали, легирование полупроводников кремния примесями).

фундаментальный физический закон, согласно которому скорость диффузии во всех средах резко возрастает при повышении температуры:

• 1. Кинетическая причина — температура тела является мерой средней кинетической энергии теплового движения его молекул; при нагревании скорость хаотического перемещения частиц возрастает, поэтому соударения и проникновения происходят чаще.
• 2. Структурная причина — при нагревании тела испытывают тепловое расширение, в результате чего увеличиваются средние расстояния и свободные промежутки между молекулами, облегчая их взаимное проникновение.

Диффузией называют физическое явление взаимного проникновения соприкасающихся веществ друг в друга, происходящее самопроизвольно в результате непрерывного беспорядочного (хаотического) движения молекул.

Диффузия в жидкостях объясняется следующими положениями молекулярного строения:

• Молекулы обеих жидкостей (воды и медного купороса) находятся в непрерывном беспорядочном тепловом движении и разделены микроскопическими промежутками;
• На первоначальной чёткой границе раздела молекулы воды и молекулы медного купороса непрерывно соударяются и в случайном порядке меняются местами;
• Со временем молекулы воды всё глубже проникают в межмолекулярные промежутки раствора медного купороса (в нижнюю часть сосуда), а молекулы купороса за счёт теплового движения поднимаются в верхние слои чистой воды;
• В результате таких непрерывных случайных блужданий молекулы обеих жидкостей постепенно распределяются равномерно по всему объёму сосуда, граница раздела полностью исчезает, и жидкость становится совершенно однородной.

Скорость диффузии зависит от трёх основных факторов:

• От температуры контактирующих веществ — с повышением температуры скорость диффузии возрастает, так как увеличивается скорость теплового движения молекул и расширяются расстояния между ними; при охлаждении диффузия существенно замедляется;
• От агрегатного состояния веществ — диффузия протекает быстрее всего в газах, значительно медленнее в жидкостях и чрезвычайно медленно в твёрдых телах из-за различия в плотности упаковки частиц и величине межмолекулярных промежутков;
• От рода веществ и размера их молекул — вещества с меньшей молекулярной массой и меньшими размерами молекул диффундируют быстрее массивных и сложных молекулярных соединений.

Примеры диффузии в природе охватывают как живые организмы, так и неживую среду:

• Почвенное питание растений — корневые волоски растений всасывают растворённые в почвенной воде минеральные соли и воду за счёт диффузии через полупроницаемые клеточные мембраны;
• Дыхание и фотосинтез растений — углекислый газ диффундирует из атмосферного воздуха через устьица внутрь зелёных листьев, а выработанный при фотосинтезе кислород диффундирует наружу;
• Аэрация природных водоёмов — атмосферный кислород диффундирует через поверхность воды в реки, озёра и океаны, обеспечивая дыхание рыб и других гидробионтов;
• Дыхание человека и животных — кислород из альвеолярного воздуха лёгких диффундирует сквозь тончайшие стенки капилляров в кровь, а углекислый газ диффундирует из венозной крови в выдыхаемый воздух;
• Пищеварение — расщеплённые питательные вещества (глюкоза, аминокислоты) всасываются из просвета кишечника в кровь и лимфу благодаря диффузии.

Это явление объясняется диффузией в газах и последующей диффузией в твёрдые волокна ткани:

• Пахучие эфирные масла лаванды непрерывно испаряются из мешочка, переходя в газообразное состояние;
• Благодаря непрерывному тепловому хаотическому движению молекулы лавандового пара диффундируют сквозь неподвижный воздух шкафа, заполняя всё внутреннее пространство;
• Достигая висящей в шкафу одежды, молекулы лаванды проникают в микроскопические межмолекулярные промежутки между волокнами ткани и задерживаются там силами межмолекулярного взаимодействия. В результате вся одежда приобретает стойкий аромат лаванды.