仔细观察,起初还能看到燃烧产生的烟雾。过一会儿,烟雾就消失了。你用过香水吗?即使你在房间里喷洒香水,屋外的人也能闻到香味。同样,如果你的母亲在厨房里烹制了一顿美味佳肴,邻居家也能闻到香味。这是为什么呢?
理解扩散
还有许多其他例子。如果你在一杯清水中滴入几滴墨水或食用色素,墨水或食用色素会均匀地扩散到水中。这是自动发生的。以上例子都是日常生活中常见的扩散现象。扩散是指物质分子从高浓度区域向低浓度区域移动的过程。浓度指的是单位体积内物质分子/摩尔数。高浓度区域是指单位体积内物质分子数量较多的地方。相反,低浓度区域是指单位体积内物质分子数量较少的地方。
焚烧垃圾时,焚烧炉周围的烟雾浓度通常很高。由于浓度差异,烟雾分子会自动从高浓度区域扩散到低浓度区域。最初聚集在一起的烟雾分子最终会向四面八方扩散。
当你往身上喷香水时,喷洒区域的浓度较高。由于这种浓度差异,香水分子会从高浓度区域向低浓度区域扩散。同样,当你在一杯清水中滴入几滴墨水或食用色素时,最先滴入墨水或色素的区域通常浓度较高。由于这种浓度差异,墨水或色素分子会扩散到低浓度区域。当水中各区域的墨水或色素分子浓度达到平衡时,扩散过程就会停止。
扩散和动力学理论
值得注意的是,扩散过程可以用分子运动论来解释。分子运动论指出,所有物质都由分子组成,而这些分子处于持续的随机运动状态。为了理解这一点,请观察下图。整个容器都装满了水。由于墨水滴入其中,容器表面的水浓度高于底部的水。
C1 是圆柱体中或水中浓度较高的部分,而 C2 是圆柱体中浓度较低的部分,或者说是水中浓度较低的部分。为了简化分析,我们只考察圆柱体中心墨水分子的运动。
C1处的墨水分子数量(高浓度)多于C2处的墨水分子数量(低浓度)。由于墨水分子不断随机运动,C1处的墨水分子更有可能向圆柱体中心移动(Δx )。相反,C2处的墨水分子数量很少,因此它们向圆柱体中心移动( Δx )的概率很小。
扩散率
因此,墨水分子会从C1流向C2。根据生理学家阿道夫·菲克(Adolf Fick,1829-1901)的研究,扩散速率与浓度差(C2 - C1 )成正比。浓度差越大,物质分子的流动速率就越大;反之,浓度差越小,物质分子的流动速率就越小。这可能与我们关于浓度差也会影响分子流动速率的假设相符。除了通过扩散作用在不同位置之间移动外,物质分子(尤其是气体分子)还可以借助风力从一个地方移动到另一个地方。
扩散在日常生活中的应用
如果没有扩散,你心爱的伴侣就无法享受到你身上的香水味。如果没有扩散,厨房里妈妈烹饪的美味佳肴的诱人香气也无法打断你的遐想,让你迫不及待地想吃完餐桌上的营养餐。😉 扩散在人类、动物、植物等生物的生存中也扮演着非常重要的角色。
植物进行光合作用通常需要二氧化碳(CO₂ ) 。由于叶片内部和外部空气中CO₂浓度存在差异, CO₂分子会通过气孔扩散进入叶片。相反,水蒸气和氧气则会扩散出去。除了植物之外,如果没有这种扩散作用,猫、老鼠等动物也会窒息而死。植物需要CO₂进行光合作用,而猫、老鼠等动物则需要氧气来进行所有能量产生反应。氧分子通过扩散作用到达细胞。