Diffusione

La classificazione della diffusione

La categorizzazione di base si basa sullo stato fisico. In base a questo fattore distinguiamo la diffusione in fase solida, liquida e gassosa. Pensando agli atomi diffondenti, si possono distinguere due categorie. Il primo è la diffusione chimica, che si verifica quando gli atomi di un elemento si muovono rispetto agli atomi della matrice. Il secondo è l’autodiffusione, causata dai movimenti di atomi dello stesso tipo l’uno rispetto all’altro. La diffusione in fase solida può essere suddivisa in:

• diffusione reticolare, che si verifica in cristalli che non contengono difetti lineari e superficiali,
• diffusione volumetrica, quando il cristallo presenta dislocazioni,
• lungo la dislocazione,
• lungo i bordi del grano,
• diffusione superficiale sulla superficie libera del cristallo.

Il meccanismo delle vacanze in diffusione

Il fenomeno si basa sullo scambio di un atomo con una vacanza, cioè un difetto puntiforme nel reticolo cristallino, che è anche un nodo non riempito da alcun atomo o ione. La condizione affinché il meccanismo avvenga è la presenza di tali siti, che a sua volta richiede l’erogazione di adeguata energia termica. Anche la potenziale barriera che circonda gli atomi deve essere interrotta, il che richiede anche una certa quantità di energia. L’energia necessaria, chiamata energia di attivazione della diffusione, è fornita dalle oscillazioni termiche degli atomi. Per questo motivo, la relazione tra la probabilità di una vacanza e il suo scambio con gli atomi, e la temperatura, è enorme e aumenta in modo esponenziale. Al verificarsi di questo meccanismo, oltre ai flussi diretti di atomi diffondenti, si creano anche flussi di vacanza diretti nella direzione opposta.

Il meccanismo interstiziale in diffusione

Questo tipo di meccanismo presuppone salti successivi di atomi interstiziali con atomi di matrice. Tali atomi sono quelli con diametri piccoli rispetto agli atomi della matrice. I salti si verificano da un difetto interatomico a uno adiacente. In ogni reticolo cristallino, anche il più denso, ci sono due tipi di difetti. Gli ottaedrici sono difetti più grandi, mentre i tetraedrici sono difetti più piccoli. Usando questo meccanismo diffusoe.g. atomi di idrogeno, carbonio, azoto o ossigeno. Tutti tranne l’idrogeno hanno diametri così grandi rispetto ai difetti che esercitano sollecitazioni di compressione nel reticolo. Il meccanismo avviene molto più velocemente del meccanismo di diffusione vacante, perché l’energia necessaria per la sua attivazione è fino alla metà inferiore. Non dipende dalla presenza di posti vacanti, ma dalla densità di riempimento del reticolo.

Diffusione al bordo di grano

Fattori che influenzano la velocità di diffusione nei solidi

1. La temperatura è direttamente correlata alle oscillazioni termiche degli atomi. Questi, a loro volta, sono responsabili di fornire l’energia necessaria per il salto dell’atomo da un nodo all’altro. La velocità di diffusione aumenta con l’aumentare della temperatura.
2. La densità dei difetti è un fattore che determina la velocità di diffusione. Nel caso di dislocazioni e difetti puntiformi, maggiore è la loro concentrazione, maggiore è la velocità di diffusione. È vero il contrario nel caso di complessi difettosi, che riducono la velocità di diffusione.
3. Un aumento della pressione totale diminuisce la velocità di diffusione nei sistemi situati in un’atmosfera che non reagisce con il materiale. Particolarmente grande importanza del fattore si osserva ad alte pressioni.

Il meccanismo di diffusione nei solidi

Gli atomi nei solidi, nei cristalli, cambiano costantemente la loro posizione. Per diffusione intendiamo la loro migrazione nel reticolo cristallino. Un atomo può saltare solo se c’è uno spazio libero nelle sue vicinanze e l’atomo stesso ha un’energia di attivazione sufficiente. Quando si considerano le oscillazioni degli atomi nel reticolo cristallino, si dovrebbe tener conto che:

• a temperature superiori allo zero assoluto, ogni atomo oscilla con alta frequenza intorno alla sua posizione.
• non tutti gli atomi oscillano con la stessa frequenza e ampiezza allo stesso tempo,
• gli atomi hanno energie diverse
• lo stesso atomo può avere un’energia diversa in un momento diverso,
• l’energia degli atomi aumenta insieme alla temperatura.

Diffusione in soluzioni

A causa del fatto che le molecole sia del solvente che del soluto sono in costante movimento, la loro diffusione porta a una distribuzione uniforme della concentrazione in tutto il volume. Il gradiente di concentrazione è un fattore che attiva la diffusione e provoca il flusso di molecole, eliminando la differenza di concentrazione. La sua velocità è direttamente proporzionale al gradiente di concentrazione.

Diffusione di gas

È il processo più veloce in relazione ad altri stati fisici. La diffusione spontanea delle molecole di gas è causata dal movimento cinetico molecolare. La velocità è causata dalla presenza di ampi spazi tra le particelle, che possono essere facilmente occupati da altre sostanze. Un aumento della temperatura aumenta ulteriormente la velocità di diffusione aumentando la velocità delle particelle libere.

Le leggi di diffusione di Fick

Due leggi introdotte da Fick descrivono il processo di diffusione, indipendentemente dallo stato fisico:

1. La prima legge di Fick descrive la relazione tra il flusso di una sostanza diffondente e il suo gradiente di concentrazione. Il flusso è la quantità di una sostanza che si muove in un’unità di tempo attraverso un’unità di superficie perpendicolare al flusso.
2. La seconda legge di Fick descrive la relazione tra la velocità locale di variazione della concentrazione di una sostanza diffondente e il suo gradiente di concentrazione.

Per ogni sistema esiste anche un coefficiente di diffusione, che dipende dalla velocità media delle molecole, cioè anche dalla temperatura, e dal libero cammino medio delle molecole. Esempi quotidiani di diffusione:

1. Rapido passaggio di odori in una stanza.
2. La penetrazione dell’ossigeno nel sangue durante la respirazione.
3. Particelle derivate dalle foglie di tè che si diffondono nel recipiente durante l’infusione, fino all’intero volume.
4. Tintura di fibre – diffusione di inchiostro/pigmento.
5. Diffusione di sapori e aromi durante la stagionatura.