Difúze

Klasifikace difúze

Základní kategorizace je založena na fyzickém stavu. Podle tohoto faktoru rozlišujeme difúzi v pevné, kapalné a plynné fázi. Když uvažujeme o difuzních atomech, můžeme rozlišit dvě kategorie. První je chemická difúze, ke které dochází, když se atomy prvku pohybují vzhledem k atomům matrice. Druhým je samodifúze, způsobená pohyby atomů stejného druhu vůči sobě navzájem. Difúzi pevné fáze lze rozdělit na:

• mřížková difúze, vyskytující se v krystalech, které neobsahují lineární a povrchové defekty,
• objemová difúze, kdy má krystal dislokace,
• podél dislokace,
• podél hranic zrn,
• povrchová difúze na volném povrchu krystalu.

Mechanismus vakancí v difúzi

Jev je založen na záměně atomu s vakancí, tedy bodovým defektem v krystalové mřížce, což je také uzel nezaplněný žádným atomem nebo iontem. Podmínkou pro vznik mechanismu je přítomnost takových míst, což zase vyžaduje dodávku adekvátní tepelné energie. Musí být také narušena potenciální bariéra obklopující atomy, což také vyžaduje určité množství energie. Potřebnou energii, nazývanou difúzní aktivační energie, poskytují tepelné oscilace atomů. Z tohoto důvodu je vztah mezi pravděpodobností prázdného místa a jeho výměnou s atomy a teplotou obrovský a exponenciálně roste. Při výskytu tohoto mechanismu se kromě usměrněných proudů difundujících atomů vytvářejí i proudy vakancí nasměrované opačným směrem.

Intersticiální mechanismus v difúzi

Tento typ mechanismu předpokládá postupné skoky intersticiálních atomů s atomy matrice. Takové atomy jsou atomy s malým průměrem ve srovnání s atomy matrice. Dochází ke skokům z jednoho meziatomového defektu na sousední. V každé krystalové mřížce, i v té nejhustší, existují dva typy defektů. Oktaedrické jsou větší defekty, zatímco tetraedrické jsou menší defekty. Pomocí tohoto mechanismu difuze např. atomy vodíku, uhlíku, dusíku nebo kyslíku. Všechny kromě vodíku mají tak velké průměry vzhledem k defektům, že vyvíjejí tlaková napětí v mřížce. Mechanismus probíhá mnohem rychleji než mechanismus difúze vakancí, protože energie potřebná k jeho aktivaci je až o polovinu nižší. Nezáleží na přítomnosti volných míst, ale na hustotě zaplnění mříže.

Difúze po hranicích zrn

Faktory ovlivňující rychlost difúze v pevných látkách

1. Teplota přímo souvisí s tepelnými oscilacemi atomů. Ty jsou zase zodpovědné za dodání energie potřebné pro skok atomu z jednoho uzlu do druhého. Rychlost difúze se zvyšuje s rostoucí teplotou.
2. Hustota defektů je faktorem určujícím rychlost difúze. V případě dislokací a bodových defektů platí, že čím vyšší je jejich koncentrace, tím vyšší je rychlost difúze. Opak je pravdou v případě defektních komplexů, které snižují rychlost difúze.
3. Zvýšení celkového tlaku snižuje rychlost difúze v systémech umístěných v atmosféře, která nereaguje s materiálem. Zvláště velký význam faktoru je pozorován při vysokých tlacích.

Mechanismus difúze v pevných látkách

Atomy v pevných látkách, v krystalech, neustále mění své umístění. Jako difúzi chápeme jejich migraci v krystalové mřížce. Atom může skákat pouze tehdy, je-li v jeho blízkosti volný prostor a atom sám má dostatečnou aktivační energii. Při zvažování oscilací atomů v krystalové mřížce je třeba vzít v úvahu, že:

• při teplotách nad absolutní nulou každý atom kmitá s vysokou frekvencí kolem své polohy.
• ne každý atom kmitá se stejnou frekvencí a amplitudou současně,
• atomy mají různé energie
• stejný atom může mít jinou energii v různém čase,
• energie atomů roste spolu s teplotou.

Difúze v roztocích

Vzhledem k tomu, že molekuly rozpouštědla i rozpuštěné látky jsou v neustálém pohybu, jejich šíření vede k rovnoměrnému rozložení koncentrace v celém objemu. Koncentrační gradient je faktor, který aktivuje difúzi a způsobí tok molekul, čímž se eliminuje koncentrační rozdíl. Jeho rychlost je přímo úměrná koncentračnímu gradientu.

Difúze plynu

Je to nejrychlejší proces ve vztahu k ostatním fyzikálním stavům. Spontánní šíření molekul plynu je způsobeno molekulárním kinetickým pohybem. Rychlost je způsobena přítomností velkých prostorů mezi částicemi, které mohou být snadno obsazeny jinými látkami. Zvýšení teploty zvyšuje rychlost difúze ještě více zvýšením rychlosti volných částic.

Fickovy zákony difúze

Dva zákony zavedené Fickem popisují proces difúze bez ohledu na fyzický stav:

1. První Fickův zákon popisuje vztah mezi tokem difundující látky a jejím koncentračním gradientem. Tok je množství látky, které se pohybuje za jednotku času jednotkou povrchu kolmo k toku.
2. Druhý Fickův zákon popisuje vztah mezi lokální rychlostí změny koncentrace difundující látky a jejím koncentračním gradientem.

Pro každý systém existuje také difúzní koeficient, který závisí na průměrné rychlosti molekul, tedy i na teplotě, a na střední volné dráze molekul. Každodenní příklady difúze:

1. Rychlý průchod pachů v místnosti.
2. Průnik kyslíku do krve při dýchání.
3. Částice pocházející z čajových lístků se rozprostírají v nádobě během louhování až do celého objemu.
4. Barvení vláken – roztírání inkoustu/pigmentu.
5. Šíření chutí a vůní při kořenění.