5.9 : 拡散と流出

香水の閉じたボトルには 常に移動し ランダムに衝突している ガス状の芳香族分子が 高濃度で含まれています 一方 ボトルの外の空気には これらの分子は ほとんど含まれていません ボトルを開くと これらの高濃度と 低濃度の領域の間に 濃度勾配が 確立されます 分子はランダムに動き続け 全体としては 高濃度領域から 低濃度領域へと移動します 濃度勾配に反応して 液体や気体が 自然に混合したり 広がったりすることを 分子拡散といいます 拡散はゆっくりとした プロセスです 気体の粒子が 高速で移動していても 多数の衝突により 速度と方向が 頻繁に変化します 粒子が衝突の間に 移動する平均距離は その平均自由行程として 知られています 気体粒子の平均自由行程は 粒子密度の影響を受け 圧力にも影響されます 粒子密度が高くなると 衝突頻度も高くなります そのため 平均自由行程は 短くなります 同様に 粒子密度が低下すると 衝突頻度も低下し 平均自由行程は長くなります 異なるガスは ガス粒子によって 異なる速度で拡散します 二乗平均平方根速度（RMS）と 気体のモル質量は 反比例関係にあるので 軽い気体は 重い気体よりも速く拡散します 同量のアンモニアガスと 塩化水素ガスの 間にあるガラス管を 考えてみましょう 拡散する気体が出会うと 反応して 塩化アンモニウムの リングを形成します 同じ時間内に 軽い アンモニア分子は 重い塩化水素分子よりも 管の中を 遠くまで移動したため リングは 塩化水素の端に近くなります 噴出は 気体分子の移動を伴う 別のプロセスです これは 圧力差に反応して ガス分子がガスの 平均自由行程よりも はるかに小さい直径の穴を 通過する能力のことです これが ヘリウム風船が 最終的に収縮する理由です ヘリウムが風船の 材料の小さな気孔から 徐々に噴出していきます 拡散と同様に 噴出の速度は ガスのRMS速度と モル質量に依存します 具体的には 噴出速度は ガスのモル質量の 平方根に反比例します したがって重いガスは軽い ガスよりもゆっくりと噴出します どのような2つの気体でも その噴出速度の比は その気体の モル質量の逆比の 平方根になります これをグラハムの法則と呼びます 同じ圧力に膨らませた 2つの風船を考えてみましょう ヘリウムで満たされたものと 酸素で満たされたものです ヘリウムバルーンの空気中の 浮力によって示されるように ヘリウムは酸素よりも 低いモル質量を持っています グラハムの法則を ヘリウムと酸素に適用すると ヘリウムは酸素の2.8倍の 速さで噴出することになります したがって ヘリウム気球は 酸素気球よりも 早く収縮します