Difusão

A classificação da difusão

A categorização básica é baseada no estado físico. De acordo com este fator, distinguimos a difusão nas fases sólida, líquida e gasosa. Pensando na difusão de átomos, pode-se distinguir duas categorias. A primeira é a difusão química, que ocorre quando os átomos de um elemento se movem em relação aos átomos da matriz. A segunda é a autodifusão, causada pelos movimentos de átomos do mesmo tipo em relação uns aos outros. A difusão em fase sólida pode ser dividida em:

• difusão de rede, ocorrendo em cristais que não contêm defeitos lineares e superficiais,
• difusão volumétrica, quando o cristal tem deslocamentos,
• ao longo da deslocação,
• ao longo dos contornos de grão,
• difusão superficial na superfície livre do cristal.

O mecanismo de vacância na difusão

O fenômeno se baseia na troca de um átomo por uma vacância, ou seja, um defeito pontual na rede cristalina, que também é um nó não preenchido por nenhum átomo ou íon. A condição para que o mecanismo ocorra é a presença de tais sítios, o que por sua vez exige a entrega de energia térmica adequada. A barreira de potencial que envolve os átomos também deve ser rompida, o que também requer uma certa quantidade de energia. A energia necessária, chamada de energia de ativação da difusão, é fornecida pelas oscilações térmicas dos átomos. Por isso, a relação entre a probabilidade de uma vacância e sua troca com os átomos, e a temperatura, é enorme e aumenta exponencialmente. Na ocorrência desse mecanismo, além dos fluxos direcionados de átomos em difusão, também são criados fluxos de vacância direcionados na direção oposta.

O mecanismo intersticial na difusão

Este tipo de mecanismo assume saltos sucessivos de átomos intersticiais com átomos da matriz. Tais átomos são aqueles com diâmetros pequenos em comparação com os átomos da matriz. Saltos ocorrem de um defeito interatômico para um adjacente. Em toda rede cristalina, mesmo a mais densa, existem dois tipos de defeitos. Octaédricos são defeitos maiores, enquanto tetraédricos são defeitos menores. Usando este mecanismo difusoe.g. átomos de hidrogênio, carbono, nitrogênio ou oxigênio. Todos, exceto o hidrogênio, têm diâmetros tão grandes em relação aos defeitos que exercem tensões compressivas na rede. O mecanismo ocorre muito mais rápido que o mecanismo de difusão de vacância, pois a energia necessária para sua ativação é até metade menor. Não depende da presença de vacâncias, mas sim da densidade de preenchimento da rede.

Difusão de limite de grão

Fatores que afetam a taxa de difusão em sólidos

1. A temperatura está diretamente relacionada às oscilações térmicas dos átomos. Estes, por sua vez, são responsáveis por fornecer a energia necessária para o salto do átomo de um nó para o outro. A taxa de difusão aumenta com o aumento da temperatura.
2. A densidade dos defeitos é um fator determinante da taxa de difusão. No caso de discordâncias e defeitos pontuais, quanto maior a sua concentração, maior a taxa de difusão. O oposto é verdadeiro no caso de complexos de defeitos, que reduzem a taxa de difusão.
3. Um aumento na pressão total diminui a taxa de difusão em sistemas localizados em uma atmosfera que não reage com o material. Particularmente grande importância do fator é observada em altas pressões.

O mecanismo de difusão em sólidos

Os átomos nos sólidos, nos cristais, mudam constantemente de localização. Por difusão entendemos sua migração na rede cristalina. Um átomo pode pular apenas se houver um espaço livre em sua vizinhança e o próprio átomo tiver uma energia de ativação suficiente. Ao considerar as oscilações dos átomos na rede cristalina, deve-se levar em conta que:

• em temperaturas acima do zero absoluto, cada átomo oscila com alta frequência em torno de sua posição.
• nem todo átomo oscila com a mesma frequência e amplitude ao mesmo tempo,
• átomos têm energias diferentes
• o mesmo átomo pode ter uma energia diferente em um tempo diferente,
• a energia dos átomos aumenta junto com a temperatura.

Difusão em soluções

Devido ao fato de que as moléculas do solvente e do soluto estão em constante movimento, seu espalhamento leva a uma distribuição uniforme da concentração por todo o volume. O gradiente de concentração é um fator que ativa a difusão e provoca o fluxo de moléculas, eliminando a diferença de concentração. Sua velocidade é diretamente proporcional ao gradiente de concentração.

difusão de gás

É o processo mais rápido em relação a outros estados físicos. O espalhamento espontâneo das moléculas de gás é causado pelo movimento cinético molecular. A velocidade é causada pela presença de grandes espaços entre as partículas, que podem ser facilmente ocupados por outras substâncias. Um aumento na temperatura aumenta ainda mais a taxa de difusão, aumentando a velocidade das partículas livres.

Leis de difusão de Fick

Duas leis introduzidas por Fick descrevem o processo de difusão, independentemente do estado físico:

1. A primeira lei de Fick descreve a relação entre o fluxo de uma substância em difusão e seu gradiente de concentração. O fluxo é a quantidade de uma substância que se move em uma unidade de tempo através de uma unidade de superfície perpendicular ao fluxo.
2. A segunda lei de Fick descreve a relação entre a taxa de variação local na concentração de uma substância em difusão e seu gradiente de concentração.

Para cada sistema existe também um coeficiente de difusão, que depende da velocidade média das moléculas, ou seja, também da temperatura, e do livre caminho médio das moléculas. Exemplos cotidianos de difusão:

1. Passagem rápida de odores em uma sala.
2. A penetração de oxigênio no sangue durante a respiração.
3. Partículas derivadas de folhas de chá se espalhando no recipiente durante a infusão, até o volume total.
4. Tingimento de fibras – espalhamento de tinta/pigmento.
5. Difusão de sabores e aromas durante o tempero.