拡散および溶解速度

拡散とは、粒子が自発的に散らばり広がる現象です。代表的な例としては、濃度差のある溶液において時間が経つと濃度差が小さくなっていく現象が挙げられます。

溶解とは、固体-液体間において固体粒子が液体側へと移動するような現象です。溶解を詳しく見ると、固体が崩壊 → 分散 → 溶解するという過程を経ます。崩壊は、固体-液体の界面においておこる反応であり、分散とは、溶液中に移動した粒子の拡散に他なりません。

溶解速度は、ネルンスト-ノイエス-ホイットニー(Nernst-Noyes-Whitney)の式で表されます。以下のような式になります。

式の分母・分子どちらにどの文字があったかを自分なりに判断するためのイメージとして、「それぞれの文字の意味」を簡単に説明できるとよいです。以下、一つずつ見ていきます。

ηが、溶液の粘度です。イメージとしては、ネバネバしてる=粘度が大きい液では D が小さくなり、溶解速度は小さくなる → 溶解しにくいというイメージです。

r は粒子の半径です。イメージとしては、粒子の半径が大きいほど溶けにくいイメージです。

T は温度です。温度が高いほうが溶けやすいイメージです。

R、N、πは定数です。以上が、拡散係数 D に関するそれぞれの文字です。

以下、ネルンスト-ノイエス-ホイットニー(Nernst-Noyes-Whitney)の式における文字の説明です。

Vは、溶液の体積です。イメージとしては、プールみたいに溶液の体積が大きい所に塩素錠を1つ入れても、中々固体が溶けて広がらないため溶解速度は遅いというイメージです。

δは、拡散層の厚さです。固体の溶解過程は、層状に固体→飽和溶液→『拡散層』→内部溶液としてモデル化されます。この拡散層の厚さです。だんだん濃い方→薄い方になります。拡散層が厚いと、なかなか内部溶液の濃度が濃くならないと考えるとよいです。参考)製剤学 1-1 2)

Sは、固体の表面積です。とける固体の表面積が大きいほうが溶けやすいイメージです。

Csは、溶解度です。C が溶液の濃度です。C = Cs になった時に「溶解度まで溶けた」ということです → もう溶けない → 溶解速度0です。

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