પ્રસરણ (1) : કોઈ પણ વાયુ, પ્રવાહી કે ઘન દ્રાવ્ય પદાર્થની ઊંચી સાંદ્રતાવાળા વિસ્તાર તરફથી ઓછી સાંદ્રતાવાળા વિસ્તાર તરફ થતી ચોખ્ખી ગતિ. તે અણુઓ, આયનો કે પરમાણુઓની યાર્દચ્છિક (random), સ્થાનાંતરીય (translational) ક્રિયાત્મક ગતિ(kinetic motion)નું પરિણામ છે અને બંધ તંત્રમાં તેમની સાંદ્રતા બંને વિસ્તારોમાં સરખી ન બને ત્યાં સુધી ચાલુ રહે છે.
સામાન્ય દબાણે અને તાપમાને વાયુના અણુઓ એકબીજાથી ખૂબ દૂર હોય છે; તેથી એક વાયુના બીજા વાયુ તરફ થતા પ્રસરણને અવરોધતી અથડામણોની સંખ્યા મર્યાદિત હોય છે. એક ઓરડામાં રહેલી હવાને એક કસનળીમાં વાયુરૂપ સ્થિતિમાં દબાવીને ભરવામાં આવે તો વાયુના અણુઓની મુક્તશક્તિમાં વધારો થાય છે. તેથી તેમની પરસ્પર થતી અને પાત્રની બાજુઓ સાથે થતી અથડામણો વધતાં તેનું દબાણ પુષ્કળ પ્રમાણમાં વધે છે. આ વાયુને એકાએક મુક્ત કરવામાં આવે તો વાયુનું પ્રસરણ અત્યંત ઝડપથી થાય છે. જે દબાણ સાથે વાયુના અણુઓ પ્રસરણ પામે છે, તેને પ્રસરણદાબ કહે છે. જોકે આ પારિભાષિક શબ્દનો વનસ્પતિવિજ્ઞાનીઓ હવે ઉપયોગ કરતા નથી.
ગિબ્સની મુક્તશક્તિની સંકલ્પના મુજબ, વાયુનું એક વિસ્તારમાંથી બીજા વિસ્તારમાં થતું પ્રસરણ એક વિસ્તારમાં રહેલા વાયુની મુક્તશક્તિ (G1) અને બીજા વિસ્તારમાં રહેલા તે વાયુની મુક્તશક્તિ (G2)ના તફાવત પર અવલંબે છે.
આ (spontaneous) પ્રક્રિયા (G2 – G1 = –ΔG) શક્તિ પ્રવણતા(energy gradient)ની દિશામાં થાય છે. જોકે ‘મુક્તશક્તિ’ને બદલે ‘રાસાયણિક વિભવ’ ((chemical potential) [એક ગ્રામ અણુભાર પદાર્થમાંથી પ્રાપ્ય મુક્તિશક્તિનો જથ્થો] શબ્દ, પ્રયોજવામાં આવે તો, પ્રસરણ એટલે કોઈ એક પદાર્થના તેના ઊંચા રાસાયણિક વિભવવાળા વિસ્તાર તરફથી નીચા રાસાયણિક વિભવવાળા વિસ્તાર તરફ થતી ચોખ્ખી ગતિ. તેની પ્રસરણની દિશા તે પદાર્થના રાસાયણિક વિભવના તફાવત પરથી નક્કી થાય છે અને બીજા પદાર્થના પ્રસરણથી તે સ્વતંત્ર હોય છે.
પ્રકાશસંશ્લેષણ દરમિયાન બાહ્ય વાતાવરણમાંથી પર્ણના કોષોમાં કાર્બન ડાયૉક્સાઇડનો પ્રવેશ અને ઑક્સિજનનો નિકાલ તેમજ બાષ્પોત્સર્જન દરમિયાન પર્ણના અધોરંધ્રીય કોટરમાંથી રંધ્ર દ્વારા બાહ્ય વાતાવરણમાં બાષ્પનો નિકાલ પ્રસરણની ક્રિયાનાં ઉદાહરણો છે.
વાયુઓના પ્રસરણના દર પર અસર કરતાં પરિબળો : વાયુઓના પ્રસરણના દર પર તાપમાન, પ્રસરણ પામતા અણુઓની ઘનતા, પ્રસરણ-માધ્યમમાં દ્રાવ્યતા, રાસાયણિક વિભવની પ્રવણતા અને પ્રસરણ-માધ્યમની ઘનતા જેવાં પરિબળો અસર કરે છે.
(1) તાપમાન : તાપમાનના ક્રમિક વધારા સાથે પદાર્થ(ઘન, પ્રવાહી કે વાયુ)ના પ્રસરતા અણુઓની ગતિશક્તિ(રાસાયણિક વિભવ)માં વધારો થતાં પ્રસરણનો દર વધે છે. કોઈ પણ ભૌતિક કે રાસાયણિક પ્રક્રિયા પર તાપમાનની અસર તેના તાપમાન ગુણાંક (temperature coefficient અથવા Q10) પરથી નક્કી થાય છે. Q10 એટલે આપેલા તાપમાને પ્રક્રિયાનો વેગ અને તેનાથી 10° સે. નીચા તાપમાને પ્રક્રિયાના વેગનો ગુણોત્તર. N જૈવિક પ્રક્રિયાઓના Q10ની ગણતરી કરવા માટે નીચેના સૂત્રનો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે :
જ્યાં;
T2 = ઊંચું તાપમાન
T1 = નીચું તાપમાન
K2 = ઊંચા તાપમાને પ્રક્રિયાનો દર
K1 = નીચા તાપમાને પ્રક્રિયાનો દર
Q10નું મૂલ્ય જાણવાથી પ્રક્રિયા શુદ્ધ ભૌતિક છે કે રાસાયણિક તે નક્કી કરી શકાય છે. Q10નું મૂલ્ય 1 કરતાં થોડુંક જ વધારે હોય તો પ્રસરણ કે પ્રકાશરાસાયણિક (photochemical) પ્રક્રિયા જેવી ભૌતિક પ્રક્રિયાનો નિર્દેશ કરે છે. પ્રકાશ અને સામાન્ય તાપમાન દ્વારા પ્રાપ્ત થતી શક્તિ પર પ્રકાશરાસાયણિક પ્રક્રિયાઓ આધાર રાખે છે. તાપમાનના વધારાની સાથે પ્રક્રિયા માટે જરૂરી વીજાણુ-વિસ્થાપન (electronic displacement) માટે પૂરતી શક્તિ મળતી નથી. રાસાયણિક પ્રક્રિયાઓ માટે Q10નું મૂલ્ય 2 કે તેથી વધારે હોય છે.
(2) પ્રસરણ પામતા અણુઓની ઘનતા : ગ્રેહામના પ્રસરણના નિયમ પ્રમાણે, વાયુઓના પ્રસરણના દર તેમની ઘનતાઓના વર્ગમૂળના વ્યસ્ત પ્રમાણમાં હોય છે. આ નિયમને આધારે નીચે મુજબનું સૂત્ર આપી શકાય :
જ્યાં r1 અને r2 અનુક્રમે વાયુઓના પ્રસરણના દર અને d1 અને d2 તેમની ઘનતા છે. જો આ સૂત્ર હાઇડ્રોજન અને ઑક્સિજન માટે લાગુ પાડવામાં આવે તો,
આમ, હાઇડ્રોજનના પ્રસરણનો દર ઑક્સિજન કરતાં ચારગણો હોય છે.
(3) પ્રસરણ-માધ્યમમાં દ્રાવ્યતા : પ્રસરણ-માધ્યમમાં પદાર્થની દ્રાવ્યતા જેમ વધારે, તેમ તેનું પ્રસરણ ઝડપથી થાય છે. જેમ પ્રસરણ-માધ્યમ વધારે સંકેન્દ્રિત તેમ પ્રસરણ પામતા પદાર્થોના પ્રસરણમાં અવરોધ વધે છે. ઉપરાંત, પદાર્થો જે વિસ્તાર કે માધ્યમમાં પ્રસરણ પામે છે – તેનું અંતર કે વિસ્તાર (expanse) પ્રસરણના દરના સમપ્રમાણમાં હોય છે. તાપમાનના વધારા સાથે પ્રવાહીમાં વાયુઓની દ્રાવ્યતા ઘટે છે; જેમ કે, 760 મિમી. દબાણે 1.0 લીટર પાણીમાં 0° સે. તાપમાને 0.04889 લી.; 10° સે. તાપમાને 0.03891 લી.; 20° સે. તાપમાને 0.03102 લી.; 30° સે. તાપમાને 0.02608 લી.; અને 80° સે. તાપમાને 0.01761 લી. ઑક્સિજન ઓગળે છે. જોકે દબાણમાં વધારો કરતાં પ્રવાહીમાં વાયુઓની દ્રાવ્યતા વધે છે. વાયુઓનો આ ગુણધર્મ હેન્રીના નિયમનો પાયો ગણાય છે. આ નિયમ પ્રમાણે, આપેલા તાપમાને પ્રવાહીના નિશ્ચિત જથ્થામાં ઓગળતા અલ્પ દ્રાવ્ય વાયુનો જથ્થો તે વાયુના આંશિક દબાણના સમપ્રમાણમાં હોય છે.
કેટલાક વાયુઓની પાણીમાં અતિદ્રાવ્યતા હેન્રીના નિયમ માટે અપવાદરૂપ ગણાય છે. આ અતિદ્રાવ્યતાનું કારણ વાયુ અને પાણી આંતરક્રિયા કરે છે તે છે. આ દરમિયાન કેટલાક કિસ્સાઓમાં ઉષ્મા-સ્વરૂપે શક્તિ મુક્ત થાય છે. એમોનિયા (NH3) અને સલ્ફરડાયૉક્સાઇડ (SO2) અતિદ્રાવ્ય વાયુઓનાં ઉદાહરણો છે. તે પાણી સાથે નીચે મુજબની પ્રક્રિયા કરે છે :
NH3 + H2O → NH4OH
SO2 + H2O → H2SO3
આ બંને પ્રક્રિયામાં અનુક્રમે એમોનિયમ હાઇડ્રૉક્સાઇડ અને સલ્ફ્યુરસ ઍસિડ બને છે. તે દરમિયાનમાં મોટાભાગનું પાણી વપરાઈ જાય છે. એમોનિયા અને પાણીની રાસાયણિક પ્રક્રિયામાં લગભગ અર્ધા ભાગનું પાણી પ્રવેશે છે અને જે રહી જાય છે તે ખરેખર તો એમોનિયમ હાઇડ્રૉક્સાઇડનું સંકેન્દ્રિત દ્રાવણ હોય છે. આમ, હેન્રીનો નિયમ અતિદ્રાવ્ય વાયુઓને લાગુ પડતો નથી.
(4) રાસાયણિક વિભવપ્રવણતા : સામાન્યત: જેમ રાસાયણિક વિભવની પ્રવણતા વધારે સીધી તેમ પ્રસરણનો દર ઊંચો હોય છે. પ્રવણતાનું નિયમન બંને વિસ્તારોમાં રહેલા પદાર્થના અણુઓની સાંદ્રતાના તફાવત અને જેમાં થઈને પ્રસરણની ક્રિયા થાય છે તે બે વિસ્તારોને જોડતા અંતર દ્વારા થાય છે. સાંદ્રતા, દબાણ અને તાપમાન જેવાં રાસાયણિક વિભવમાં વધારો કે ઘટાડો કરતાં પરિબળો પણ પ્રસરણના દર પર અસર કરે છે.
(5) પ્રસરણમાધ્યમની ઘનતા : જેમ પ્રસરણમાધ્યમની ઘનતા વધારે તેમ પ્રસરણનો દર ઓછો હોય છે. શૂન્યાવકાશમાં વાયુઓ હવાના માધ્યમ કરતાં વધારે ઝડપથી પ્રસરી શકે છે.
વાયુઓના પ્રસરણના દર પર અસર કરતાં પરિબળો પ્રવાહી અને ઘનદ્રાવ્ય પદાર્થના પ્રસરણના દરને પણ મોટે ભાગે અસર કરે છે. પ્રવાહીમાં વાયુ, પ્રવાહીમાં પ્રવાહી કે દ્રાવકમાં દ્રાવ્ય પદાર્થોના પ્રસરણ પર તાપમાન, આણ્વીય ઘનતા, પ્રસરણ માધ્યમ અને રાસાયણિક વિભવ ઉપરાંત, પ્રસરણ પામતા અણુઓનું કદ અને તેમની દ્રાવ્યતા પણ અસર કરે છે.
વિનોદકુમાર ગણપતલાલ ભાવસાર