Verspreiding

De classificatie van diffusie

De basisindeling is gebaseerd op de fysieke toestand. Volgens deze factor onderscheiden we diffusie in vaste, vloeibare en gasvormige fasen. Denkend aan diffunderende atomen, kan men twee categorieën onderscheiden. De eerste is chemische diffusie, die optreedt wanneer de atomen van een element bewegen ten opzichte van de matrixatomen. De tweede is zelfdiffusie, veroorzaakt door de bewegingen van atomen van dezelfde soort ten opzichte van elkaar. Diffusie in vaste fase kan worden onderverdeeld in:

• roosterdiffusie, die voorkomt in kristallen die geen lineaire en oppervlaktedefecten bevatten,
• volumetrische diffusie, wanneer het kristal dislocaties heeft,
• langs de ontwrichting,
• langs graangrenzen,
• oppervlaktediffusie op het vrije oppervlak van het kristal.

Het leegstandsmechanisme in diffusie

Het fenomeen is gebaseerd op de uitwisseling van een atoom met een vacature, dwz een puntdefect in het kristalrooster, dat ook een knoop is die niet gevuld is met een atoom of ion. De voorwaarde voor het optreden van het mechanisme is de aanwezigheid van dergelijke locaties, die op hun beurt de levering van voldoende thermische energie vereisen. Ook de potentiële barrière rond de atomen moet worden verbroken, wat ook een bepaalde hoeveelheid energie kost. De noodzakelijke energie, de diffusie-activeringsenergie genoemd, wordt geleverd door thermische oscillaties van de atomen. Om deze reden is de relatie tussen de kans op een vacature en de uitwisseling ervan met atomen en temperatuur enorm en neemt exponentieel toe. Bij het optreden van dit mechanisme ontstaan naast de gerichte stromen van diffunderende atomen ook leegtestromen die in tegengestelde richting zijn gericht.

Het interstitiële mechanisme in diffusie

Dit type mechanisme gaat uit van opeenvolgende sprongen van interstitiële atomen met matrixatomen. Dergelijke atomen zijn die met kleine diameters in vergelijking met de matrixatomen. Er treden sprongen op van het ene interatomaire defect naar het aangrenzende defect. In elk kristalrooster, zelfs het dichtste, zijn er twee soorten defecten. Octaëdrische zijn grotere defecten, terwijl tetraëdrische kleinere defecten zijn. Door dit mechanisme te gebruiken diffuus b.v. waterstof-, koolstof-, stikstof- of zuurstofatomen. Alles behalve waterstof hebben zulke grote diameters ten opzichte van de defecten dat ze drukspanningen in het rooster uitoefenen. Het mechanisme treedt veel sneller op dan het mechanisme van leegstandsdiffusie, omdat de energie die nodig is voor activering tot de helft lager is. Het hangt niet af van de aanwezigheid van vacatures, maar van de vuldichtheid van het rooster.

Graangrens diffusie

Factoren die de diffusiesnelheid in vaste stoffen beïnvloeden

1. De temperatuur is direct gerelateerd aan thermische oscillaties van atomen. Deze zijn op hun beurt verantwoordelijk voor het leveren van de energie die nodig is voor de sprong van het atoom van het ene knooppunt naar het andere. De diffusiesnelheid neemt toe met toenemende temperatuur.
2. De dichtheid van de defecten is een factor die de diffusiesnelheid bepaalt. In het geval van dislocaties en puntdefecten, hoe hoger hun concentratie, hoe hoger de diffusiesnelheid. Het tegenovergestelde is waar in het geval van defectcomplexen, die de diffusiesnelheid verminderen.
3. Een toename van de totale druk verlaagt de diffusiesnelheid in systemen die zich in een atmosfeer bevinden die niet reageert met het materiaal. Bijzonder groot belang van de factor wordt waargenomen bij hoge drukken.

Het mechanisme van diffusie in vaste stoffen

Atomen in vaste stoffen, in kristallen, veranderen voortdurend van plaats. Als diffusie begrijpen we hun migratie in het kristalrooster. Een atoom kan alleen springen als er een vrije ruimte in de buurt is en het atoom zelf voldoende activeringsenergie heeft. Bij het beschouwen van de oscillaties van atomen in het kristalrooster moet er rekening mee worden gehouden dat:

• bij temperaturen boven het absolute nulpunt oscilleert elk atoom met hoge frequentie rond zijn positie.
• niet elk atoom oscilleert met dezelfde frequentie en amplitude op hetzelfde moment,
• atomen hebben verschillende energieën
• hetzelfde atoom kan op een ander tijdstip een andere energie hebben,
• de energie van de atomen neemt toe met de temperatuur.

Verspreiding in oplossingen

Vanwege het feit dat de moleculen van zowel het oplosmiddel als de opgeloste stof constant in beweging zijn, leidt hun verspreiding tot een gelijkmatige verdeling van de concentratie door het volume. De concentratiegradiënt is een factor die de diffusie activeert en de stroom van moleculen veroorzaakt, waardoor het concentratieverschil wordt geëlimineerd. De snelheid is recht evenredig met de concentratiegradiënt.

Gas diffusie

Het is het snelste proces in relatie tot andere fysieke toestanden. De spontane verspreiding van gasmoleculen wordt veroorzaakt door moleculaire kinetische beweging. De snelheid wordt veroorzaakt door de aanwezigheid van grote ruimtes tussen de deeltjes, die gemakkelijk kunnen worden ingenomen door andere stoffen. Een verhoging van de temperatuur verhoogt de diffusiesnelheid nog meer door de snelheid van de vrije deeltjes te verhogen.

Fick’s diffusiewetten

Twee door Fick geïntroduceerde wetten beschrijven het diffusieproces, ongeacht de fysieke toestand:

1. De eerste wet van Fick beschrijft de relatie tussen de flux van een diffunderende stof en zijn concentratiegradiënt. De flux is de hoeveelheid van een stof die in een tijdseenheid door een oppervlakte-eenheid loodrecht op de flux beweegt.
2. De tweede wet van Fick beschrijft de relatie tussen de lokale veranderingssnelheid in de concentratie van een diffunderende stof en zijn concentratiegradiënt.

Voor elk systeem is er ook een diffusiecoëfficiënt, die afhangt van de gemiddelde snelheid van de moleculen, dus ook van de temperatuur, en van de gemiddelde vrije weglengte van de moleculen. Alledaagse voorbeelden van verspreiding:

1. Snelle doorgang van geuren in een ruimte.
2. Het binnendringen van zuurstof in het bloed tijdens het ademen.
3. Deeltjes afkomstig van theebladeren die zich tijdens het brouwen in het vat verspreiden, tot het volledige volume.
4. Verven van vezels – verspreiden van inkt/pigment.
5. Verspreiding van smaken en aroma’s tijdens het kruiden.