Diffusion

Klassifizierung der Diffusion

Die grundlegende Einteilung basiert auf dem Aggregatzustand.  Mit diesem Faktor wird zwischen fester, flüssiger und gasförmiger Diffusion unterschieden.  Bei den diffundierenden Atomen wird zwischen zwei Kategorien unterschieden.  Die erste ist die chemische Diffusion, von der wir sprechen, wenn sich die Atome eines Elements relativ zu den Atomen der Matrix bewegen.  Die zweite ist die Selbstdiffusion, die durch die Bewegung gleichartiger Atome relativ zueinander verursacht wird. Die Diffusion im festen Zustand kann unterteilt werden in:

• Gitterdiffusion, die in Kristallen auftritt, die keine linearen oder Oberflächenfehler enthalten,
• volumetrische Diffusion, wenn der Kristall Dislokationen aufweist,
• entlang von Dislokationen,
• entlang der Korngrenzen,
• oberflächliche Diffusion, entlang der freien Oberfläche des Kristalls.

Mechanismus der Diffusionsleerstelle

Das Auftreten dieses Phänomens beruht auf dem Austausch eines Atoms mit einer Leerstelle, d.h. einem Punktdefekt im Kristallgitter, der ebenfalls ein nicht von einem Atom oder Ion besetzter Knoten ist. Voraussetzung für den Mechanismus ist das Vorhandensein solcher Stellen, was wiederum die Zufuhr ausreichender Wärmeenergie erfordert.   Die Potenzialbarriere, die die Atome umgibt, muss ebenfalls durchbrochen werden, was ebenfalls einen bestimmten Energieaufwand erfordert.  Die erforderliche Energie, die so genannte Aktivierungsenergie der Diffusion, wird durch die thermischen Schwingungen der Atome bereitgestellt. Daher ist die Verbindung zwischen der Wahrscheinlichkeit von Leerstellen und deren Austausch mit Atomen und der Temperatur enorm und steigt exponentiell an. Bei diesem Mechanismus entstehen zusätzlich zu den gerichteten Strömen von diffundierenden Atomen auch in die entgegengesetzte Richtung gerichtete Leerstandsströme.

Interstitieller Diffusionsmechanismus

Diese Art von Mechanismus setzt aufeinanderfolgende Sprünge von Zwischengitteratomen mit Matrixatomen voraus.  Solche Atome werden als Atome mit kleinem Durchmesser im Vergleich zu den Matrixatomen bezeichnet. Stattdessen erfolgen die Sprünge von einer interatomaren Lücke zu einer benachbarten. In jedem Kristallgitter, selbst im dichtesten, gibt es zwei Arten von Lücken. Die ersten, oktaedrischen, sind größere Lücken, während tetraedrische Lücken kleinere Lücken sind. Dies ist der Mechanismus, durch den z.B. Wasserstoff-, Kohlenstoff-, Stickstoff- oder Sauerstoffatome diffundieren. Alle außer Wasserstoff haben einen so großen Durchmesser im Verhältnis zu den Lücken, dass sie Druckspannungen auf das Gitter ausüben. Die Häufigkeit des Auftretens des Mechanismus ist im Vergleich zum Mechanismus der Diffusionsleerstelle viel höher, da die für die Aktivierung erforderliche Energie nur etwa halb so groß ist. Sie hängt nicht vom Vorhandensein von Leerstellen ab, sondern von der Fülldichte des Gitters.

Diffusion durch Dislokation

Faktoren, die die Diffusionsraten in Festkörpern beeinflussen

1. Die Temperatur steht in direktem Zusammenhang mit den thermischen Schwingungen der Atome. Diese wiederum sind für die Bereitstellung der Energie verantwortlich, die das Atom benötigt, um von einem Knoten zum nächsten zu springen. Die Diffusionsgeschwindigkeit nimmt mit steigender Temperatur zu.
2. Die Dichte der Defekte ist eine Determinante der Diffusionsrate. Im Falle von Dislokationen und Punktdefekten, je höher ihre Konzentration, desto höher die Diffusionsrate. Das Gegenteil ist der Fall bei Defektkomplexen, die sie reduzieren.
3. Ein Anstieg des Gesamtdrucks senkt die Diffusionsrate in Systemen in einer nicht reaktiven Atmosphäre. Dieser Faktor ist besonders wichtig bei hohen Drücken.

Mechanismus der Diffusion in Festkörpern

Atome in Festkörpern, in Kristallen, verändern ständig ihren Standort  Als Diffusion bezeichnen wir ihre Wanderung im Kristallgitter. Ein Atom kann sich nur dann bewegen, wenn in seiner Umgebung ein freier Raum vorhanden ist und das Atom selbst eine ausreichende Aktivierungsenergie besitzt. Bei der Betrachtung der Schwingungen der Atome im Kristallgitter ist zu beachten, dass:

• Bei Temperaturen über dem absoluten Nullpunkt schwingt jedes Atom mit einer hohen Frequenz um seine Position,
• nicht jedes Atom schwingt mit der gleichen Frequenz und Amplitude zur gleichen Zeit,
• Atome haben unterschiedliche Energien,
• ein und dasselbe Atom kann je nach Zeit unterschiedliche Energie haben,
• die Energie der Atome nimmt mit der Temperatur zu.

Diffusion in Lösungen

Da sowohl die Moleküle des Lösungsmittels als auch die des gelösten Stoffes in ständiger Bewegung sind, führt ihre Diffusion zu einer gleichmäßigen Konzentrationsverteilung im gesamten Volumen. Der Konzentrationsgradient ist der Faktor, der die Diffusion aktiviert und den Molekülfluss bewirkt, wodurch die Differenz in der Konzentration ausgeglichen wird. Seine Geschwindigkeit ist direkt proportional zum Konzentrationsgradienten.

Diffusion von Gasen

Es ist der Prozess, der im Vergleich zu anderen Aggregatzuständen am schnellsten abläuft.  Die spontane Dispersion von Gasmolekülen wird durch molekular-kinetische Bewegung verursacht.  Die Geschwindigkeit wird durch das Vorhandensein großer Zwischenräume zwischen den Partikeln verursacht, die leicht von anderen Substanzen besetzt werden können.  Ein Temperaturanstieg erhöht die Diffusionsgeschwindigkeit weiter und steigert die Geschwindigkeit der freien Teilchen.

Fick‘sche Gesetze

Für den Diffusionsprozess, unabhängig vom Aggregatzustand, sind zwei von Fick eingeführte Gesetze gültig:

1. Das erste Fick’sche Gesetz beschreibt die Beziehung zwischen dem Strom einer diffundierenden Substanz und dem Gradienten ihrer Konzentration. Der Strom ist die Stoffmenge, die sich pro Zeiteinheit durch eine Einheitsfläche senkrecht zu diesem Strom bewegt.
2. Das zweite Fick’sche Gesetz beschreibt die Beziehung zwischen der lokalen Änderungsgeschwindigkeit der Konzentration einer diffundierenden Substanz und ihrem Konzentrationsgradienten.

Für jedes System gibt es auch einen Diffusionskoeffizienten, der von der durchschnittlichen Geschwindigkeit der Moleküle, also auch von der Temperatur, und dem durchschnittlichen freien Weg der Körpermoleküle abhängt.

Alltägliche Beispiele für das Auftreten von Diffusion:

1. Der schnelle Durchgang von Gerüchen, die im Raum auftreten.
2. Das Durchdringen von Sauerstoff in das Blut während der Atmung.
3. Partikel aus den Teeblättern verteilen sich während des Aufbrühens über das gesamte Volumen des Gefäßes.
4. Färben von Gewebe – Verteilung von Farbstoff/Pigment.
5. Verbreitung von Geschmacks- und Aromastoffen während des Würzens.