よく見ると、燃焼による煙は最初は見えます。しばらくすると、煙は見えなくなります。香水を使ったことがありますか?部屋に香水をスプレーしても、家の外にいる人にも香水の香りが感じられます。お母さんが台所でおいしい料理を作っていると、隣の家にも料理の香りが漂ってきます。なぜでしょうか?
他にも多くの例があります。透明な水が入ったグラスにインクを数滴垂らすと、インクや食用色素は水全体に均一に広がります。これは自動的に起こります。先ほど挙げた例は、日常生活でよく見られる拡散現象です。拡散とは、物質が高濃度から低濃度へと移動する過程です。濃度とは、単位体積あたりの物質の分子数(モル数)のことです。高濃度とは、単位体積あたりの物質の分子数が多い場所のことです。逆に、低濃度とは、単位体積あたりの分子数が少ない場所のことです。
ゴミを燃やすと、通常、燃えているゴミの周囲の煙の濃度はかなり高くなります。濃度にばらつきがあるため、煙の分子は自動的に高濃度から低濃度へと拡散します。最初に集まった煙の分子は、最終的にはあらゆる方向に拡散していきます。
香水を体にスプレーすると、スプレーした場所の濃度が高くなります。濃度差があるため、香水分子は高濃度から低濃度へと移動します。透明な水が入ったグラスにインクや食用色素を数滴垂らすと、最初にインクや食用色素が滴った部分の濃度が高くなります。濃度差があるため、インク分子や食用色素分子は低濃度の部分へと拡散していきます。拡散は、水のすべての部分のインク分子の濃度が同じになった時点で停止します。
拡散過程は運動論を用いて説明できることにご留意ください。運動論によれば、すべての物質は分子から構成されており、これらの分子は絶えずランダムに運動しています。これを理解するために、下の図をご覧ください。容器のすべての部分が水で満たされています。インクが滴下されているため、容器の表面の水は底部の水よりも濃度が高くなっています。
C1 は、高濃度の水の円筒形部分または部分であり、一方Cは2 これは円筒状の部分、または水の中で濃度が低い部分を指します。分析を容易にするため、ここでは円筒の中心におけるインク分子の動きのみに着目します。
Cに含まれるインク分子の数1 Cのインク分子よりも多い(高濃度)2 (低濃度)。インク分子はランダムに動くため、C のインク分子は1 シリンダーの中心に向かって移動する確率が高くなります (Δx)。逆に、C のインク分子の数は2 は非常に小さいため、シリンダーの中心に向かって移動する可能性はわずかです (Δx)。したがって、C からインク分子の総流が発生します。1 Cへ2生理学者アドルフ・フィック(1829-1901)の研究により、拡散速度は濃度差(C)に正比例することがわかった。2 - C1濃度差が大きいほど、物質分子の流れの速度は速くなります。
逆に、濃度差が小さいほど、物質分子の流速は低くなります。これは、濃度差が分子の流速にも影響を与えるという私たちの予想と一致するかもしれません。拡散による位置の移動に加えて、物質分子(特に気体物質)は風の助けを借りてある場所から別の場所へ移動することもできます。
日常生活における拡散の応用
拡散がなければ、愛する恋人はあなたの香水を楽しむことができません。拡散がなければ、美味しくて食欲をそそる台所で母親が作る料理の香りも、あなたの空想をかき消して、食卓に並ぶ栄養満点の食事を早く食べたいという気持ちを掻き立てることはできません。拡散は、人間、動物、植物などの生存においても重要な役割を果たしています。
植物は通常、光合成を行うために二酸化炭素(CO₂)を必要とします。葉の内部と空気の間にはCO₂濃度の差があるため、CO₂分子は気孔を通して葉の中に拡散します。一方、水蒸気と酸素は拡散して外に放出されます。植物だけでなく、猫やネズミなども拡散がなければ窒息する可能性があります。植物が光合成を行うためにCO₂を必要とするように、猫やネズミなどはエネルギーを生成するすべての反応に酸素を必要とします。酸素分子は拡散によって細胞内に移動します。