Difusi dan Gerakan Molekul

Setitik pewarna yang dimasukkan ke dalam air akhirnya tersebar walaupun air tidak dikacau. Bau juga boleh merebak melalui udara tanpa setiap molekul bergerak terus dari sumber ke hidung. Fenomena ini dipanggil difusi, dan penjelasannya bermula dengan gerakan haba zarah yang sentiasa berubah arah.

Gerakan rawak menghasilkan aliran bersih

Molekul dalam cecair dan gas bergerak serta berlanggar secara rawak. Jika satu kawasan pada mulanya mengandungi lebih banyak zarah sesuatu bahan, lebih banyak zarah berpeluang meninggalkan kawasan itu berbanding dengan zarah yang masuk semula dari kawasan kurang pekat. Hasil statistik daripada banyak gerakan rawak ini ialah aliran bersih menuruni kecerunan kepekatan.

Zarah individu tidak mengetahui arah

Ungkapan ‘bergerak dari kepekatan tinggi ke rendah’ menerangkan hasil bersih bagi populasi zarah, bukan arahan yang diikuti setiap molekul. Pada setiap saat, ada molekul yang bergerak ke kawasan lebih pekat dan ada yang bergerak ke kawasan kurang pekat. Apabila bilangannya sangat besar, ketidakseimbangan statistik menghasilkan penyebaran yang boleh diramalkan.

Hukum Fick memberikan cara kuantitatif untuk menghubungkan fluks difusi dengan kecerunan kepekatan. Dalam gambaran ringkas, kecerunan yang lebih curam menghasilkan fluks bersih yang lebih besar jika keadaan lain sama. Pekali difusi pula menerangkan seberapa cepat sesuatu spesies tersebar dalam medium tertentu dan bergantung pada sistem serta keadaan seperti suhu.

Suhu, medium dan jarak mempengaruhi kadar

Gerakan haba yang lebih pantas lazimnya mempercepat penyebaran, tetapi kadar difusi juga bergantung pada sifat medium serta saiz dan bentuk zarah. Perlanggaran yang kerap menjadikan difusi berbeza daripada gerakan lurus bebas. Oleh itu, difusi berkesan pada jarak kecil tetapi menjadi lambat untuk memindahkan bahan merentasi jarak makroskopik yang besar.

Difusi berlaku dalam gas, cecair dan pepejal, tetapi mekanisme serta kadarnya tidak sama. Dalam pepejal kristal, atom atau kecacatan boleh berpindah melalui lompatan antara kedudukan yang tersedia. Dalam cecair dan gas, gerakan terma serta perlanggaran menyumbang kepada penyebaran zarah. Oleh itu, gambaran pewarna dalam air berguna sebagai pengenalan tetapi bukan model terperinci bagi setiap bahan.

Difusi juga penting dalam sistem hidup

Dalam sel, sesetengah bahan boleh bergerak secara pasif menuruni kecerunan kepekatannya tanpa penggunaan langsung tenaga sel. Namun, membran bersifat terpilih: keupayaan sesuatu bahan merentasinya bergantung pada sifat bahan dan membran. Oleh itu, kewujudan kecerunan sahaja tidak bermaksud semua molekul boleh melintasi setiap membran dengan bebas.

Keseimbangan tidak bermaksud zarah berhenti

Apabila kepekatan menjadi seragam, aliran bersih akibat kecerunan kepekatan boleh menjadi sifar. Molekul tetap bergerak secara rawak dan bertukar kedudukan. Keadaan ini bersifat dinamik: gerakan mikroskopik berterusan walaupun taburan makroskopik kelihatan tidak berubah.

Difusi bukan aliran pukal

Jika air dikacau, pewarna boleh tersebar jauh lebih cepat kerana perolakan mengangkut kelompok bendalir dari satu tempat ke tempat lain. Difusi tetap berlaku, tetapi proses ini tidak sama dengan perolakan. Membezakan kedua-duanya penting apabila menafsir eksperimen, sistem biologi dan pengangkutan bahan dalam bendalir.

Bagaimana kita mengetahui hal ini?