拡散係数の一覧表は？材料別の値と特徴も！（金属・気体・液体・固体・温度依存性・物質データなど）

拡散係数の値は物質の種類・温度・状態によって非常に広い範囲にわたり、文献や教科書を調べても散在していてなかなか一覧で把握しにくいものです。

本記事では、拡散係数の一覧表として、気体・液体・固体・金属・半導体・生体系など幅広い材料・系について代表的な値をまとめ、それぞれの特徴や温度依存性についても詳しく解説していきます。

設計・研究・学習のリファレンスとして活用していただければ幸いです。

拡散係数の値は相の種類によって大きく異なる

それではまず、拡散係数の値が相（気体・液体・固体）によってどれほど異なるかという全体像から解説していきます。

拡散係数Dの値は、物質の状態（相）によって非常に大きく異なり、気体・液体・固体の順に約4〜5桁ずつ小さくなっていくのが一般的な傾向です。

この桁違いの差は、分子間の距離・相互作用の強さ・分子の運動の自由度が相によって根本的に異なることから生じます。

気体中では分子が自由に飛び回れるのに対し、液体中では常に周囲の分子に囲まれており、固体中では格子点に束縛されているためです。

拡散係数の値を読む際には、まず「どの相での値か」を確認することが非常に重要です。

同じ物質でも気体か液体かで10,000倍以上の差があるため、単位や相の条件を見落とすと大きな計算ミスにつながります。

気体の拡散係数が大きい理由

気体中の分子は液体・固体と比べて非常に大きな自由空間を持って運動しています。

平均自由行程（他の分子と衝突するまでに移動できる平均距離）は、大気圧の空気中で約70 nm程度です。

この距離は分子直径（0.3〜0.5 nm程度）の約100〜200倍にも達し、分子は比較的長い距離を自由に移動できます。

また気体分子の熱運動速度は室温で数百 m/sのオーダーと非常に速く、これが大きな拡散係数につながります。

気体の拡散係数が液体よりも格段に大きい本質的な理由は、分子間の衝突頻度が低く・熱運動速度が大きいという2点にあります。

固体の拡散係数が極めて小さい理由

固体中の原子・分子は結晶格子や非晶質構造の中で、ほぼ特定の位置に固定されています。

拡散が起きるためには、原子が隣接する空格子点（空孔）に飛び移るか、格子間を縫って移動する必要があります。

この過程には活性化エネルギーの壁を越えるための十分な熱エネルギーが必要であり、室温では多くの材料でこのエネルギーが不足しています。

そのため固体中の拡散係数は極めて小さく、実質的に拡散が起こらない場合もあります。

高温になるほど活性化エネルギーを超える原子の割合が増え、拡散係数は指数関数的に増大します。

気体の拡散係数一覧表

続いては、代表的な二成分気体系の拡散係数の値を一覧表で確認していきます。

以下の値はいずれも1気圧（101.3 kPa）における値です。

空気系・二元気体の拡散係数

拡散系（A in B）	温度（℃）	拡散係数（m²/s）	拡散係数（cm²/s）
H₂（水素）in Air（空気）	25	6.1 × 10⁻⁵	0.61
He（ヘリウム）in Air	25	7.2 × 10⁻⁵	0.72
O₂（酸素）in Air	25	2.0 × 10⁻⁵	0.20
N₂（窒素）in Air	25	1.8 × 10⁻⁵	0.18
CO₂（二酸化炭素）in Air	25	1.6 × 10⁻⁵	0.16
H₂O（水蒸気）in Air	25	2.6 × 10⁻⁵	0.26
NH₃（アンモニア）in Air	25	2.2 × 10⁻⁵	0.22
SO₂（二酸化硫黄）in Air	25	1.1 × 10⁻⁵	0.11
CH₄（メタン）in Air	25	2.1 × 10⁻⁵	0.21
C₂H₅OH（エタノール）in Air	25	1.2 × 10⁻⁵	0.12
H₂ in N₂（水素/窒素）	25	7.8 × 10⁻⁵	0.78
O₂ in N₂（酸素/窒素）	25	2.1 × 10⁻⁵	0.21
CO₂ in N₂	25	1.7 × 10⁻⁵	0.17
H₂ in CO₂	25	5.5 × 10⁻⁵	0.55

水素・ヘリウムなど分子量の小さい気体は特に大きな拡散係数を示します。

これはグラハムの法則（拡散速度は分子量の平方根に反比例）と整合する結果です。

分子量の大きいSO₂やエタノール蒸気は拡散係数が小さくなっています。

気体の温度依存性

気体の拡散係数は温度とともに大きく変化します。

チャップマン-エンスコグ理論によれば、気体の拡散係数は絶対温度Tのおよそ3/2乗に比例します。

温度（℃）	O₂ in Air（m²/s）	CO₂ in Air（m²/s）	H₂O in Air（m²/s）
0	1.78 × 10⁻⁵	1.39 × 10⁻⁵	2.20 × 10⁻⁵
25	2.00 × 10⁻⁵	1.60 × 10⁻⁵	2.60 × 10⁻⁵
100	2.69 × 10⁻⁵	2.17 × 10⁻⁵	3.55 × 10⁻⁵
200	3.74 × 10⁻⁵	3.00 × 10⁻⁵	4.93 × 10⁻⁵
400	5.98 × 10⁻⁵	4.80 × 10⁻⁵	7.85 × 10⁻⁵

温度が0℃から400℃に上がると、拡散係数はおよそ3倍以上大きくなることがわかります。

気体の拡散係数の温度依存性は固体・液体に比べて緩やかで、べき乗則（T^1.5〜1.75）で近似できます。

また気体の拡散係数は圧力に反比例するため、高圧条件（化学プロセス・加圧容器など）では補正が必要です。

液体中の拡散係数一覧表

続いては、液体中の代表的な拡散係数の値を確認していきます。

液体中の拡散係数は気体の約1/10,000のオーダーになります。

水溶液中のイオン・分子の拡散係数

溶質	溶媒	温度（℃）	拡散係数（m²/s）
H⁺（プロトン）	水	25	9.31 × 10⁻⁹
OH⁻（水酸化物イオン）	水	25	5.27 × 10⁻⁹
Na⁺（ナトリウムイオン）	水	25	1.33 × 10⁻⁹
K⁺（カリウムイオン）	水	25	1.96 × 10⁻⁹
Cl⁻（塩化物イオン）	水	25	2.03 × 10⁻⁹
Ca²⁺（カルシウムイオン）	水	25	0.79 × 10⁻⁹
O₂（酸素）	水	25	2.10 × 10⁻⁹
CO₂（二酸化炭素）	水	25	1.91 × 10⁻⁹
グルコース（C₆H₁₂O₆）	水	25	6.70 × 10⁻¹⁰
スクロース（ショ糖）	水	25	5.20 × 10⁻¹⁰
エタノール	水	25	1.24 × 10⁻⁹
メタノール	水	25	1.60 × 10⁻⁹
グリセロール	水	25	9.40 × 10⁻¹⁰
アルブミン（タンパク質）	水	25	6.10 × 10⁻¹¹
DNA（λファージ）	水	20	～3 × 10⁻¹³

H⁺（プロトン）の拡散係数が特に大きいのは、グロトウス機構（プロトンが水分子のネットワークを介してリレー式に移動する仕組み）によるものです。

分子量が大きくなるほど拡散係数は小さくなる傾向がはっきり見てとれます。

タンパク質（アルブミン）はイオンよりも約100倍小さい拡散係数を持ち、DNAのような巨大分子ではさらに桁違いに小さくなります。

有機溶媒・非水系での拡散係数

溶質	溶媒	温度（℃）	拡散係数（m²/s）
ベンゼン	エタノール	25	1.81 × 10⁻⁹
アセトン	水	25	1.28 × 10⁻⁹
ナフタレン	ベンゼン	25	1.19 × 10⁻⁹
トルエン	ベンゼン	25	1.85 × 10⁻⁹
CO₂	エタノール	25	3.40 × 10⁻⁹
Li⁺	プロピレンカーボネート	25	～4 × 10⁻¹⁰

有機溶媒中の拡散係数は水中と同程度かやや大きい場合が多いですが、溶媒の粘度が高い場合は大きく低下します。

リチウムイオン（Li⁺）のプロピレンカーボネート中での拡散係数は、リチウムイオン電池の電解液設計において重要な物性値です。

温度が上昇すると液体の粘度が低下するため、液体中の拡散係数は温度とともに増大します。

固体中の拡散係数一覧表

続いては、固体材料中の代表的な拡散係数の値を確認していきます。

固体の拡散係数は温度依存性が非常に大きく、同じ系でも温度によって数桁も異なることがあります。

金属・合金中の拡散係数

拡散原子（溶質）	母相（溶媒金属）	温度（℃）	拡散係数（m²/s）
C（炭素）in γ-Fe（オーステナイト）	γ-Fe	900	5.0 × 10⁻¹¹
C（炭素）in γ-Fe	γ-Fe	1100	1.6 × 10⁻¹⁰
C（炭素）in α-Fe（フェライト）	α-Fe	700	6.2 × 10⁻¹²
Fe in γ-Fe（自己拡散）	γ-Fe	1000	2.4 × 10⁻¹⁵
N（窒素）in α-Fe	α-Fe	500	3.7 × 10⁻¹²
Cu in Al（銅/アルミニウム）	Al	500	4.0 × 10⁻¹³
Mg in Al（マグネシウム/アルミニウム）	Al	450	1.2 × 10⁻¹³
Ag in Ag（銀の自己拡散）	Ag	700	1.7 × 10⁻¹⁵
Ag in Ag	Ag	900	4.5 × 10⁻¹⁴
Al in Al（アルミニウムの自己拡散）	Al	500	1.2 × 10⁻¹⁵
Zn in Cu（亜鉛/銅）	Cu	800	4.0 × 10⁻¹⁶

炭素のγ鉄（オーステナイト）中での拡散は、鋼材の浸炭処理設計に直接使われる重要な値です。

炭素は格子間原子として拡散するため、置換型元素の自己拡散より格段に大きな拡散係数を持ちます。

格子間拡散（炭素・窒素・水素など）は置換型拡散（金属原子）より数桁大きいことが一般的です。

半導体中の不純物拡散係数

拡散元素	母相	温度（℃）	拡散係数（m²/s）	用途
B（ボロン）	Si（シリコン）	1000	2.5 × 10⁻¹⁸	p型ドーパント
P（リン）	Si	1000	6.5 × 10⁻¹⁷	n型ドーパント
As（ヒ素）	Si	1000	4.5 × 10⁻¹⁸	n型ドーパント
B（ボロン）	Si	1100	4.0 × 10⁻¹⁷	p型ドーパント
P（リン）	Ge（ゲルマニウム）	800	1.1 × 10⁻¹⁵	ドーピング
Ga（ガリウム）	GaAs	1000	～10⁻¹⁹	III-V族半導体

シリコン中の不純物拡散係数は半導体デバイスの製造プロセス設計において非常に重要な値です。

1000℃という高温でも拡散係数は10⁻¹⁷〜10⁻¹⁸ m²/s程度と非常に小さいため、精密な温度・時間管理によって意図したドーピングプロファイルを実現しています。

拡散係数の温度依存性とアレニウスパラメータ

続いては、拡散係数の温度依存性をアレニウス式のパラメータで整理した内容を確認していきます。

代表的な系のアレニウスパラメータ一覧

固体中の拡散係数はアレニウス式 D = D₀ × exp(−Ea/RT) で表され、D₀（頻度因子）とEa（活性化エネルギー）の2つのパラメータで特徴づけられます。

拡散系（溶質 in 母相）	D₀（m²/s）	活性化エネルギーEa（kJ/mol）
C in γ-Fe	2.0 × 10⁻⁵	142
C in α-Fe	2.0 × 10⁻⁶	84
Fe in γ-Fe（自己拡散）	0.49 × 10⁻⁴	284
Fe in α-Fe（自己拡散）	2.0 × 10⁻⁴	240
B in Si	1.0 × 10⁻²	348
P in Si	3.8 × 10⁻⁴	348
Al in Al（自己拡散）	1.7 × 10⁻⁴	142
Cu in Cu（自己拡散）	2.0 × 10⁻⁵	197
Ag in Ag（自己拡散）	4.0 × 10⁻⁵	184

活性化エネルギーEaが大きい系ほど、温度に対するDの変化が急峻（感度が高い）になります。

シリコン中のボロンは活性化エネルギーが約348 kJ/molと非常に高く、低温での拡散は極めて遅い一方、高温では急速に進みます。

格子間型拡散（炭素など）は置換型拡散（金属自己拡散など）よりも活性化エネルギーが小さく、同じ温度でもより速く拡散できます。

液体中の拡散係数の温度依存性

液体中の拡散係数の温度依存性は、固体とは異なる挙動を示します。

ストークス-アインシュタイン式 D = kT/(6πηr) において、温度Tが上昇すると同時に粘度ηが低下するため、両方の効果でDは増大します。

溶質	溶媒	温度（℃）	拡散係数（m²/s）
O₂（酸素）	水	10	1.54 × 10⁻⁹
O₂（酸素）	水	25	2.10 × 10⁻⁹
O₂（酸素）	水	45	3.20 × 10⁻⁹
NaCl	水	10	1.12 × 10⁻⁹
NaCl	水	25	1.61 × 10⁻⁹
NaCl	水	45	2.41 × 10⁻⁹

水中の拡散係数は温度が10℃から45℃に上昇すると、概ね2倍程度大きくなることが見てとれます。

これは主に水の粘度が温度上昇とともに大きく低下することによる効果です。

生体系・多孔質材料での拡散係数

続いては、生体組織や多孔質材料など、特殊な媒体中での拡散係数について確認していきます。

生体組織中の拡散係数（ADC値）

MRI（磁気共鳴画像法）の拡散強調画像（DWI）では、生体組織中の水分子の「見かけの拡散係数（ADC：Apparent Diffusion Coefficient）」が測定されます。

組織・部位	ADC値（× 10⁻⁹ m²/s）	備考
正常脳白質	0.7 ～ 0.8	神経線維の配向性で異方性大
正常脳灰白質	0.8 ～ 1.0	白質より等方的
脳梗塞急性期	0.3 ～ 0.5	細胞浮腫でADC低下
正常肝臓	1.0 ～ 1.4	血流の影響を受ける
前立腺（末梢帯）	1.5 ～ 2.0	腫瘍でADC低下
正常腎皮質	2.0 ～ 2.5	血流・尿流の影響あり
純水（37℃）	3.0	参照値

生体組織中のADC値は、純水の自己拡散係数（37℃で約3.0 × 10⁻⁹ m²/s）よりも小さくなります。

これは細胞膜・細胞小器官・マクロ分子などが水分子の移動を制限するためです。

脳梗塞急性期ではADCが著明に低下することが知られており、早期診断に非常に有用な指標です。

細胞浮腫によって細胞内水分が増加し、細胞内の狭い空間での拡散が制限されるためにADCが低下すると考えられています。

多孔質材料・膜中の有効拡散係数

系（拡散物質 in 材料）	温度（℃）	有効拡散係数（m²/s）	備考
O₂ in ゼオライト（ZSM-5）	25	～10⁻¹⁰	細孔内拡散
H₂O in シリカゲル	25	～10⁻¹¹	細孔表面拡散含む
CO₂ in ポリエチレン（PE）	25	～10⁻¹²	ポリマー膜中拡散
O₂ in ポリジメチルシロキサン（PDMS）	25	～3.4 × 10⁻¹⁰	ガス透過膜
薬物 in ヒドロゲル	37	10⁻¹² ～ 10⁻¹⁰	DDS設計の参考値

多孔質材料中の有効拡散係数は空隙率・曲路率・細孔径分布に大きく依存し、バルクの値より1〜数桁小さくなります。

ポリマー膜中のガスの拡散係数は膜素材の選択透過性設計において中心的なパラメータです。

まとめ

本記事では、拡散係数の一覧表として、気体・液体・固体・半導体・生体系・多孔質材料など幅広い材料・系における代表的な値を整理して解説しました。

気体中では10⁻⁵〜10⁻⁴ m²/s、液体中では10⁻¹¹〜10⁻⁹ m²/s、固体中では10⁻²⁰〜10⁻¹⁴ m²/sという大きな差が存在し、温度・組成・材料構造によってさらに広い範囲をとります。

文献値や設計計算に拡散係数を利用する際は、相の種類・温度・圧力・組成条件を必ず確認し、適切な値を選択することが精度の高い解析につながります。

本記事の一覧表が、設計・研究・学習の場面での実用的なリファレンスとしてお役に立てれば幸いです。