확산[diffusion]

확산[diffusion]

 

잔잔한 수면에 잉크를 1방울 조용하게 떨어뜨리면 잉크는 차츰 퍼져가고, 마지막으로는 균일하게 섞여 버린다.

이와 같이 용질이 정지한 용매 속에 퍼져 가는 현상을 확산이라고 한다. 확산현상은 서로 다른 종류의 기체, 액체, 고체 사이에서 관찰된다. A.피크는 1855년에 확산현상에서는'용질의 유속밀도가 농도구배에 비례한다'라는 것을 나타내었다.

 

그 비례계수는'확산계수'이다. 이것은'피크의 제1법칙'으로 불리우고 있다.

용질원자나 분자의 확산은 용매의 원자 또는 분자와 교환함으로써 일어난다. 1933년에 마타노(俣野)는 유출 및 유입한 용질의 양이 같아지는 면을 정의하였다.

 

이 면을 마타노계면이라고 부른다. 이 면에 고정된 좌표에 의해 확산의 유속밀도를 측정하고, 그 측정점에 대한 농도구배를 구하면 피크의 제1법칙에서 확산계수가 구해진다. 이 확산계수를 상호확산계수 또는 화학확산계수라고 부른다.

 

1947년 스미겔스커스와 커켄들은 구리 70%-아연 30%로 이루어지는 황동의 장방형 블록 주위에 가느다란 몰리브덴선을 감고, 그 외측에 구리를 0.1인치 두께로 도금하여 이 확산대시료를 여러 번에 걸쳐 가열․유지하였다.

 

냉각 후에 시료단면을 취하고 몰리브덴선의 위치를 측정했을 때, 몰리브덴선은 시료 내측에 시간과 더불어 단조롭게 이동하고 있다는 것을 발견하였다. 이 현상은 커켄들효과로서 알려지고 있다.

 

이 경우 몰리브덴선(마커)에 대해 구리원자가 시료 내부에 확산하는 것보다 빠른 속도로 아연원자가 외측에 확산한 것이 된다. 다켄은 이 실험을 다음과 같이 해석하였다.

 

마커는 확산이 일어나지 않는 영역에 대해서 확실히 이동하고 있다. 이 현상을 강의 흐름에 수직한 잉크의 확산에 추적하여, 흐름과 같은 속도로 이동하고 있는 배(마커)에서 잉크 자신의 확산속도를 측정할 수 있다는 것을 나타내었다.

 

이 마커에 고정된 좌표에 있어서 용질의 확산에 대한 유속밀도와 마커위치에 대한 농도구배로 얻어지는 확산계수를 그 용질성분의 고유확산계수라고 부른다. 용질의 농도가 미량인 경우, 상호확산계수는 용질의 고유확산계수와 같아진다. 또 미량의 용질로서 용매를 구성하고 있는 성분의 동위원소(아이소토프)를 사용한 경우, 측정되는 확산계수는 트레이서확산계수라고 불리운다.

 

원자나 분자는 열진동을 하고 있고, 확산은 어느 안정된 위치에서 다른 안정된 위치에 점프함으로써 일어난다. 결정 속에서는 원자끼리의 간극인 격자간이 점프 위치의 하나로서, 이것을 격자간확산이라고 부른다.

 

철 중의 탄소원자가 일예이다. 또 결정은 일반적으로 본래 원자가 있어야 할 위치가 열진동에 의해 양공(陽孔)으로 되어 있고 여기에 점프하여 확산하는 기구는 공공확산으로 불리운다. 용질과 용매의 원자의 크기가 같은 정도인 경우에 일어난다. 용매를 구성하고 있는 성분원자 그 자체의 확산계수는 자기확산계수로 불리우고, 공공 주변의 어느 성분원자가 이동해도 확산한 것이 된다.

 

그러나 동위원소를 사용한 경우는 그 동위원소가 이동한 경우만 확산한 것이 되므로, 그 확률(상관계수)만 트레이서확산계수와 자기확산계수는 다르다.

 

확산계수의 대수(對數)는 절대온도의 역수에 비례하고 그 계수는 음(陰)이 된다. 이것을 아레니우스형이라고 하고, 비례계수의 절대값은 활성화에너지라고 불리운다.