水に入れた色のついた物質が、時間とともに広がっていく。この様子を見て、「見えない手が水をかき混ぜている」と考える必要はありません。物質をつくる粒子自身の不規則な運動によって、濃さの偏りが小さくなることがあります。この広がりが拡散です。
ただし、目の前で色が動いたら、すべて拡散だけで説明できるわけでもありません。液を注いだ勢い、温度差による対流など、水全体の流れで運ばれる場合もあります。粒子の動きと、液全体の動きを分けることから始めましょう。
粒子は、薄い場所を目指して考えて動くわけではない
拡散を「濃い方から薄い方へ移る」と説明することがあります。これは全体として見たときの移動の偏りです。一つ一つの粒子が濃度を調べて、薄い側へ進路を決めているわけではありません。不規則に動く粒子が、濃い側には多く、薄い側には少ないため、両側を行き来する数に差が生じます。
人の多い部屋と少ない部屋がつながっていて、それぞれの人が同じようにあちこち動く模型を考えると、人数の多い側から出てくる人の数が多くなりやすいことをイメージできます。ただし、分子に意思があるというたとえではありません。「全体の傾向」と「一個ずつの動き」の違いを確かめるための模型です。
均一になっても、粒子の動きは止まらない
濃さがそろうと、見た目の変化がなくなります。しかし、粒子が動かなくなったとは限りません。両側を行き来する数が平均的に釣り合えば、個々の粒子は入れ替わっていても、濃度には大きな偏りが生じなくなります。
「変化が見えない」という観察結果から、「内部では何も起こっていない」と決めないことが大切です。水に溶けた物が消えたわけでもありません。最初に片側へ集まっていたものが、広い範囲に分かれて存在しています。全体の量と、一定の体積の中の量を分けて考えます。
例題1｜粒子の行き来を数える模型
同じ大きさの左室と右室に、印を付けた粒子がそれぞれ16個と4個あります。説明用の一段階の模型として、各室にある粒子の四分の一が、同時に反対側へ移るとします。このあと左右は何個ずつになりますか。粒子の合計は変わりますか。
答え・解説： 左から右へ4個、右から左へ1個が移ります。左は16−4＋1＝13個、右は4−1＋4＝7個です。合計20個は変わりません。右向きだけに粒子が動いたわけではなく、両向きの移動があったうえで差が3個生じています。実際の分子の動きを毎回四分の一と決める法則ではなく、行き来を数えるための模型です。
例題2｜同じ濃さなら、もう動かない？
同じ模型で、左右に12個ずつ粒子があるとします。一段階でそれぞれ四分の一が相手側へ移るなら、移動後の個数はどうなりますか。「個数が同じだから、粒子の移動はゼロだった」という説明は正しいでしょうか。
答え・解説： どちらも3個出て3個入るため、12個のままです。しかし、移動した粒子は両向きにあります。変わらないのは左右の個数であって、粒子が一個も動かないという意味ではありません。出入りを別々に記録すると、この違いを確かめられます。
対流が起きると、液と一緒に運ばれる
温められた部分と冷たい部分がある水では、密度の違いにより流れが起こることがあります。色がその流れに乗って移る場合、粒子が液全体に対して少しずつ広がる拡散と、同じ仕組みとしては扱えません。もちろん、実物では両方が同時に起こることもあります。
たとえば、色のついた液を上から勢いよく注いで「数秒で全体が混ざった」と記録しても、その秒数を拡散だけの速さとは言えません。注ぎ方を穏やかにした比較、温度をそろえた比較などが必要です。見えた移動を一つの原因に結び付ける前に、液そのものを動かした操作がなかったかを点検します。
膜をはさんだ浸透とは、通れるものを確かめる場所が違う
浸透の問題では、水は通すが溶けた物は通しにくい、といった膜の性質が重要になります。今回の二室の模型では、印を付けた粒子が両側を行き来できる条件でした。通れない粒子まで移動させると、膜のある問題の説明を変えてしまいます。
同じ「濃さの違い」が出てきても、何が移ったかを必ず書いてください。水なのか、溶けた物なのか、液全体なのか。名前だけを当てはめるより、図に移動するものを描いた方が、拡散・浸透・対流を区別できます。
目に見える模型と、実際の数の違い
図では粒子を20個などの小さな数で描きますが、実際の物質には非常に多くの粒子があります。図の点の間隔や大きさは実物の拡大写真ではありません。今回の例題のような単純な移動規則も、分子の運動を完全に再現したものではなく、濃度差が小さくなる考え方を学ぶ道具です。
図を読み終えたら、残った粒子と移った粒子を数えて合計を確かめます。「薄くなったから量が減った」と考えず、同じ量がどれだけの範囲へ広がったかを説明できるようにしましょう。