Dyfuzja

Klasyfikacja dyfuzji

Podstawowa kategoryzacja odbywa się na podstawie stanu skupienia. Dzięki temu czynnikowi rozróżniamy dyfuzję w stanie stałym, ciekłym oraz gazowym. Mając na uwadze dyfundujące atomy, rozróżniamy dwie kategorie. Pierwszą jest dyfuzja chemiczna, o której mówimy w przypadku przemieszczania się atomów pierwiastka względem atomów osnowy. Drugą jest samodyfuzja, spowodowana ruchami atomów tego samego rodzaju względem siebie. Dyfuzję w stanie stałym można podzielić na:

• sieciową, zachodzącą w kryształach niezawierających defektów liniowych i powierzchniowych,
• objętościową, gdy kryształ posiada dyslokacje,
• wzdłuż dyslokacji,
• po granicach ziaren,
• powierzchniową po swobodnej powierzchni kryształu.

Mechanizm wakancyjny dyfuzji

Zachodzenie zjawiska opiera się na wymianie atomu z wakancją, czyli defektem punktowym sieci krystalicznej, który jest również węzłem nieobsadzonym żadnym atomem ani jonem. Warunkiem zajścia mechanizmu jest obecność takich miejsc, co z kolei wymaga dostarczenia odpowiedniej energii cieplnej.  Musi również zostać przełamana bariera potencjału, która otacza atomy, co również wymaga konkretnego nakładu energii. Pokłady koniecznej energii, nazywanej energią aktywacji dyfuzji, są dostarczane przez drgania termiczne atomów. Z tego względu powiązanie prawdopodobieństwa wystąpienia wakancji oraz jej wymiany z atomami, z temperaturą jest ogromne i rośnie wykładniczo. W przypadku wystąpienia tego mechanizmu oprócz ukierunkowanych strumieni dyfundujących atomów powstają również strumienie wakancji skierowane w przeciwnym kierunku.

Mechanizm międzywęzłowy dyfuzji

Ten rodzaj mechanizmu zakłada kolejne przeskoki atomów międzywęzłowych z atomami osnowy. Takimi atomami nazywa się te o małych średnicach w porównaniu z atomami osnowy. Przeskoki następują natomiast z jednej luki międzyatomowej do sąsiedniej. W każdej sieci krystalicznej, nawet tej najgęstszej, występują luki dwóch rodzajów. Pierwsze – oktaedryczne to luki większe, natomiast tetraedryczne są lukami mniejszymi. Takim mechanizmem dyfundują na przykład atomy wodoru, węgla, azotu czy tlenu. Wszystkie oprócz wodoru posiadają tak duże średnice względem luk, że wywierają naprężenia ściskające w sieci. Szybkość zachodzenia mechanizmu względem wakancyjnego jest o wiele większa, gdyż energia potrzebna do aktywacji jest nawet o około połowę mniejsza. Nie zależy ona od obecności wakancji, ale od gęstości wypełnienia sieci.

Dyfuzja przez dyslokacje

Czynniki wpływające na szybkość dyfuzji w ciałach stałych

1. Temperatura jest bezpośrednio związana z drganiami termicznymi atomów. Te z kolei odpowiadają za dostarczenie energii potrzebnej do przeskoku atomu z jednego węzła do kolejnego. Szybkość dyfuzji wzrasta wraz ze wzrostem temperatury.
2. Gęstość defektów jest czynnikiem warunkującym szybkość dyfuzji. W przypadku dyslokacji oraz defektów punktowych, im większe ich stężenie tym większa szybkość dyfuzji. Przeciwnie jest natomiast w przypadku kompleksów defektowych, które ją obniżają.
3. Wzrost ciśnienia całkowitego obniża szybkość dyfuzji w układach znajdujących się w atmosferze nie reagującej z materiałem. Szczególnie duże znaczenie czynnika obserwuje się przy dużych ciśnieniach.

Mechanizm dyfuzji w ciałach stałych

Atomy w ciałach stałych, w kryształach stale zmieniają swoją lokalizację. Dyfuzją nazywamy ich migrację w sieci krystalicznej. Możliwy jest przeskok atomu wyłącznie wtedy, kiedy w jego sąsiedztwie istnieje wolne miejsce, a sam atom musi posiadać wystarczającą energię aktywacji. Rozważając drgania atomów w sieci krystalicznej, należy mieć na uwadze, że:

• w temperaturach powyżej zera bezwzględnego każdy atom drga z dużą częstotliwością wokół swojego położenia,
• nie każdy atom drga z taką samą częstotliwością i amplitudą w tym samym czasie,
• atomy charakteryzują się zróżnicowaną energią,
• ten sam atom może mieć różną energię w zależności od czasu,
• energia atomów wzrasta wraz z temperaturą.

Dyfuzja w roztworach

Ze względu na to, iż zarówno cząsteczki rozpuszczalnika, jak i substancji rozpuszczonej znajdują się w ciągłym ruchu, ich rozprzestrzenianie prowadzi do równomiernego rozkładu stężenia w całej objętości. Gradient stężenia jest czynnikiem aktywujących dyfuzję i powoduje przepływ cząsteczek, likwidując różnicę stężeń. Jej szybkość jest wprost proporcjonalna do gradientu stężeń.

Dyfuzja gazów

Jest procesem zachodzącym najszybciej względem innych stanów skupienia. Samorzutne rozprzestrzenianie się cząsteczek gazu jest wywołane ruchem molekularno-kinetycznym. Szybkość jest spowodowana obecnością dużych przestrzeni między drobinami, które mogą w łatwy sposób zostać zajęte przez inne substancje. Wzrost temperatury jeszcze bardziej podnosi szybkość dyfuzji, zwiększając prędkość swobodnych drobin.

Prawa Ficka

Dla procesu dyfuzji, niezależnie od stanu skupienia, adekwatne są dwa prawa wprowadzone przez Ficka:

1. Pierwsze prawo Ficka jest zależnością pomiędzy strumieniem dyfundującej substancji a gradientem jej stężenia. Strumieniem nazywa się ilość substancji, która przemieszcza się w jednostce czasu przez jednostkową, prostopadłą do tego strumienia powierzchnię.
2. Drugie prawo Ficka opisuje związek pomiędzy lokalną szybkością zmian stężenia dyfundującej substancji a gradientem jej stężenia.

Dla każdego układu istnieje również współczynnik dyfuzji, który jest zależny od średniej prędkości cząsteczek, czyli również od temperatury, oraz od średniej drogi swobodnej cząsteczek ciała.

Codzienne przykłady występowania dyfuzji:

1. Szybkie przechodzenie zapachów pojawiających się w pomieszczeniu.
2. Przenikanie tlenu do krwi w trakcie oddychania.
3. Cząstki pochodzące z liści herbaty rozprzestrzeniają się w naczyniu w trakcie zaparzania, aż do całej objętości.
4. Farbowanie włókien – roznoszenie się farby/pigmentu.
5. Roznoszenie się smaku i aromatów podczas przyprawiania.