气体扩散
文言特殊句式-万圣节活动
2023年2月21日发(作者：听证通知书)扩散系数
?
费克定律中的扩散系数Ｄ代表单位浓度梯度下的扩散通量，它表达某个组分在介质中扩
散的快慢，是物质的一种传递性质。
一、气体中的扩散系数
气体中的扩散系数与系统、温度和压力有关，其量级为
5210/ms
。通常对于二元气体
Ａ、B的相互扩散，Ａ在B中的扩散系数和B在A中的扩散系数相等，因此可略去下标而
用同一符号Ｄ表示，即ABBA
DDD
。
表７－１给出了某些二元气体在常压下（
51.01310Pa
）的扩散系数。
对于二元气体扩散系数的估算，通常用较简单的由富勒（Fuller）等提出的公式：
1.75
1/31/32
11
0.0101
[()()]
AB
AB
T
MM
D
Pvv
（７－１９）
式中，
D
－Ａ、B二元气体的扩散系数，
2/ms
；
P
－气体的总压，
Pa
；
T
－气体的温度，Ｋ；
A
M
、B
M
－组分Ａ、B的摩尔质量，
/kgkmol
；
A
v
、
B
v
－组分Ａ、B分子扩散体积，
3/cmmol
。
一般有机化合物可按分子式由表７－２查相应的原子扩散体积加和得到，某些简单物质
则在表７－２种直接列出。
表7－１某些二元气体在常压下（
51.01310Pa
）的扩散系数
系统温度/K扩散系数/(10-5m2/s)系统温度/K扩散系数/(10-5m2/s)
H
2
－空气273甲醇－空气273
He－空气317乙醇－空气273
O
2
－空气273正丁醇－空气273
Cl
2
－空气273苯－空气298
H
2
O－空气273甲醇－空气298
?298H
2
－CO273
?332H
2
－CO
2
273
NH
3
－空气273H
2
－N
2
273
CO
2
－空气273?294
?298H
2
－NH
3
298
SO
2
－空气293He－Ar298
?
表７－２原子扩散体积和分子扩散体积
原子扩散体积
v/(cm3/mol)
分子扩散体积
Σv/(cm3/mol)
原子扩散体积
v/(cm3/mol)
分子扩散体积
Σv/(cm3/mol)
CHeSCO
HNe?CO
2
OAr?N
2
O
NKr?NH
3
芳香族环Xe?H
2
O
杂环H
2
?SF
6
FD
2
?Cl
2
CLN
2
?Br
2
BrO
2
?SO
2
I空气??
注：已列出分子扩散体积的，以后者为准。
?
式７－１９的相对误差一般小于１０％。
二、液体中的扩散系数
由于液体中的分子要比气体中的分子密集得多，因此也体的扩散系数要比气体的小得
多，其量级为
9210/ms
。表７－３给出了某些溶质在液体溶剂中的扩散系数。
表７－３溶质在液体溶剂中的扩散系数（溶质浓度很低）
溶质溶剂温度／
K
扩散系数
/(10-9m2/s)
溶质溶剂温度／
K
扩散系数
/(10-9m2/s)
NH
3
水285乙酸水298
??288丙酸水298
O
2
水291HCl(9kmol/m3)水283
??298m3)?283
CO
2
水298苯甲酸水298
H
2
水298丙酮水298
甲醇水288乙酸苯298
乙醇水283尿素乙醇285
??298水乙醇298
正丙醇水288KCl水298
甲酸水298KCl1,2－乙
二醇
298
乙酸水283????
?
对于很稀的非电解质溶液（溶质Ａ＋溶剂Ｂ），其扩散系数常用Wilke-Chang公式估算：
15
0.6
()
7.410
T
B
AB
A
MT
D
V
2/ms
（７－２１）
式中，AB
D
－溶质Ａ在溶剂Ｂ中的扩散系数（也称无限稀释扩散系数），
2/ms
；
?
T
－溶液的温度，Ｋ；
－溶剂Ｂ的粘度，
.Pas
；
B
M
－溶剂Ｂ的摩尔质量，
/kgkmol
；
－溶剂的缔合参数，具体值为：水；甲醇；乙醇；苯、乙醚等不缔合的溶剂为；
A
V
－溶质A在正常沸点下的分子体积，
3/cmmol
，由正常沸点下的液体密度来计
算。若缺乏此密度数据，则可采用Tyn-Calus方法估算：
1.0480.285
c
VV
，其中c
V
为物质的
临界体积（属于基本物性），单位为
3/cmmol
，见表7－４。
表７－４常见物质的临界体积V
C
物质V
C
/(cm3/mol)
物质V
C
/(cm3/mol)
物质V
C
/(cm3/mol)
甲烷CH
4
氯仿CHC1
3
氨NH
3
乙烷C
2
H
6
甲醇CH
4
0118氮气N
2
丙烷C
3
H
8
203乙醇C
2
H
6
0一氧化氮NO
正丁烷C
4
H
10
255正丙醇C
3
H
8
0219二氧化氮NO
2
正己烷C
6
H
14
370异丙醇C
3
H
8
0220氧化二氮N
2
O
乙烯C
2
H
4
丙酮C
3
H
6
0209二氧化硫S0
2
丙烯C
3
H
6
181甲乙酮C
4
H
8
O267三氧化硫SO
3
氯乙烯C
2
H
3
C1169乙酸C
2
H
4
O171氯化氢HC1
乙炔C
2
H
2
乙酸乙酯C
4
H
8
0286氢气H
2
笨C
6
H
6
259氯C1
4
硫化氢H
2
S
甲苯C
7
H
8
316溴Br
2
一氧化碳CO
氯苯C
6
H
5
C1308碘I
2
155二氧化碳CO
2
环己烷C
6
H
12
308氧气0
2
二硫化碳CS
2
160
四氯化碳CCl
4
臭氧0
3
水H
2
O
从（７－２１）可见，溶质Ａ在溶剂Ｂ中的扩散系数AB
D
与溶质Ｂ在溶质Ａ中的扩散
系数BA
D
不相等，这一点与气体扩散系数的特性明显不同，需引起注意。
对给定的系统，可由温度1
T
下的扩散系数1
D
推算2
T
下的2
D
（要求1
T
和2
T
相差不大），
如下：
21
21
1
()
T
DD
T
（７－２２）
三、生物物质的扩散系数
表７－５给出了一些生物溶质在水溶液中的扩散系数。
表7—5生物溶质在水溶液中的扩散系数
溶质温度/0C扩散系数（m2/s）摩尔质量/(kg/kmol)
尿素201．20×10-9
25×10-9
甘油20×10-9
甘氨酸25×10-9
辛酸钠25×10-10
牛血清清蛋白25×10-1167500
尿素酶25×10-11482700
?20×10-11
大豆蛋白20×10-11361800
脂（肪）氧合酶20×10-1197400
人血纤维蛋白原20×10-11339700
人血清清蛋白20×10-1172300
γ-球蛋白（人）20×10-11153100
肌酸酐37×10-9
蔗糖37×10-9
?20×10-9?
对于水溶液中生物溶质扩散系数的估算，当溶质相对于分子质量小于1000或其分子体
积小于500
3/cmmol
时，可用式（７－２１）；否则，宜用式（７－２３）（Polson方法），
15
1/3
9.4010
()AB
A
T
D
M
2/ms
（７－２３）
其中，
－镕基的粘度，
.Pas
；
A
M
－生物溶质的摩尔质量。
四、四、固体中的扩散系数
表７－６给出了某些物质在固体中的扩散系数。对于气体在固体中的扩散，一般是用渗
透率M
P
（permeability）来代替扩散系数D，两者间的关系为
MAB
PDS
（７－２４）
其中，Ｓ为气体溶质Ａ在固相中的溶解度，
/
AA
Scp
，单位为
3m
溶质（标准状态）／（
3m
固体.atm）。
表7—6固体中的扩散系数和渗透率
溶质A固体BT/KD
AB
/(m2/s)溶解度S*渗透率P
m
**
H
2
硫化橡胶298×10-9×10-10
O
2
298×10-9×10-10
N
2
298×10-9×10-10
CO
2
硫化氯丁橡胶290×10-9×10-10
??300×10-9?
H
2
聚乙烯298?×10-12
O
2
?303?×10-12
N
2
?303?×10-12
O
2
尼龙303??×10-12
N
2
?303??×10-12
H
2
O蜡306?×10-10
H
2
Fe293×10-13??
AlCu293×10-34??
*S的单位：m3溶质（标准状态）／（m3固体?atm）；
**P
M
的单位：m3溶质（标准状态）／（s?m2?atm/m）。