擴散Diffusion

化學原理啟迪119

1.      課堂上描述擴散現象的實驗如下：

2.      用二個棉花塞住玻璃管的兩端開口，其中一團棉花吸滿氨水(NH3)，另一個棉花吸滿氯化氫（HCl鹽酸），這二團棉花同時放到玻璃管的兩端。幾分鐘後，氨分子遇到氯化氫分子，就會出現一圈白色的氯化氨 (NH4Cl)：

NH3(g)+HCl(g)→NH4Cl(s)

3.      氣體穿越玻璃管的時間慢得令人驚訝，因為照理說，在25°C下，氯化氫（HCl）和氨(NH3)分子的移動速率大約每秒450到660公尺。

4.      那為什麼需要花好幾秒鐘，「氨NH3」和「氯化氫HC」分子才相遇呢？

5.      答案是玻璃管裡面含有空氣，所以，在穿越玻璃管的過程中，「NH3」和「HCl」必須經歷與「O2」和「N2」分子無數次的碰撞。

6.     雖然這些碰撞會大大減慢它們穿過玻璃管的速度，但是，我們還是可以把「NH3」和「HCl」相對移動距離，看成與它們的速度有關：

7.     不過，仔細的實驗顯示，以上的預測並不完全正確，依據觀察所得的距離比是1.3，不是像格拉漢預測的1.5。

8.     這個差異並不是因為分子動力理論或是格拉漢定律錯誤，而是因為氣體在擴散實驗的移動，並不像在逸散實驗裡那樣單純。

9.     擴散實驗的「氨氣NH3」和「氯化氫HCl」氣體，要穿越玻璃管的時候，會跟管內的氣體短兵相接，產生碰撞。

10.  因為「氨氣NH3」跟「氯化氫HCl」分子與「氮氣N2」與「氧氣O2」分子碰撞無數次，移動速度不得不減慢，所以，「氨氣NH3」跟「氯化氫HCl」的速率，不完全等於它們的分子速率。

11.  速率愈快，分子碰撞的次數愈多，結果阻礙的氣體分子的移動。因為「氨氣」的分子量比較小(因此速率較快)，所以它移動的時候受到分子碰撞的阻礙，遠比「氯化氫」氣體多。

12.  所以，「氨氣」分子遇到「氯化氫」的「移動距離」，比格拉漢定律預期的「移動距離」短。(依據格拉漢定律，「氨氣」移動距離與「氯化氫」移動距離的比值是1.5)。

13.  雖然我們只討論一個「定性分析qualitative treatment」的實驗範例，但是透過這個實驗，我們就能清楚地瞭解混合氣體的現象，同時，也以定性分析理論解釋清楚實驗的結果。

n   翻譯編寫Steven S. Zumdahl《Chemical Principles》

徐弘毅：

1.     格拉漢從錯綜複雜的氣體現象中，歸納出逸散定律的結論。而擴散實驗，在驗證格拉漢定律時，發現實際情況與定律的誤差：氨氣分子跑的距離，比定律所估計的距離短，為什麼？

2.     首先檢查，氣體擴散實驗的情況，與格拉漢逸散實驗有什麼不同？

3.     氣體擴散實驗的玻璃管裡，充滿空氣，可是格拉漢逸散實驗，是由充滿空氣的隔間，穿過孔洞，到一個真空的隔間。

4.     依據勒沙特列原理，格拉漢逸散實驗中，裝滿空氣的隔間內的氣體分子，應該會拼命往，完全沒有氣體的真空隔間方向鑽。

5.     也就是所有的氣體，猶如水受到地心引力，往排水孔流失，氣體分子會受真空孔洞的吸引，拚命往牆壁上的孔洞鑽。

6.     但是，擴散實驗的氣體，卻不是這樣。玻璃管，塞了氨水棉花的一端，氨氣濃度非常高，按照勒沙特列原理，會逐漸地往濃度低的方向移動，也就是氯化氫棉花的方向移動。

7.     而塞了氯化氫的棉花那一端，氯化氫的濃度非常高，同樣會往濃度低的方向移動，也就是氨水棉花的方向移動。

8.     這二種不同的實驗情況，怎麼影響氣體粒子的移動速率呢？

9.     第一、在擴散實驗中，氯化氫分子或氨氣分子在玻璃管中的移動，是依據自己本來的移動方向與速率的慣性往前跑，絕大多數的分子並不是筆直地往玻璃管另一端跑，而是往四面八方亂跑；有可能先碰撞到上面的玻璃管，再反彈到下面的玻璃管，這樣反彈無數次，以曲折的路徑前進。

10.  可是，在逸散實驗中的氣體粒子，受到真空孔洞強大引力吸引，圍繞著孔洞的氣體粒子，各自以十分接近直線的路徑穿越孔洞，這樣的移動速率一定較快。所以，「擴散實驗的玻璃管中的氣體粒子」，移動速度應該比「逸散實驗中的氣體粒子」慢。

11.  第二、擴散實驗的玻璃管本身就有氣體，氯化氫分子和氨分子會撞擊到其他氣體粒子，造成減速；而其中質量較大的氨分子移動速率較快，撞擊到其他分子的次數更多，減速的情況更嚴重。

12.  但是，逸散實驗中的氣體粒子，從開始穿越孔洞開始，到進入真空隔間的過程中，幾乎沒有受到其他氣體的阻礙。所以，逸散實驗中的氣體粒子，一定跑得比較快。