Диффузия

Классификация диффузии

Базовая классификация опирается на агрегатное состояние. Так мы различаем твердую, жидкую и газообразную диффузию. Принимая во внимание диффундирующие атомы, разделяем на две категории. Первая — химическая диффузия, под которой понимаем перемещение атомов элемента относительно атомов основы. Второй — самодиффузия, вызванная движениями атомов одного и того же типа относительно друг друга. Диффузию в твердом состоянии можно разделить на:

• решетчатую, возникающую в кристаллах, не содержащих линейных или поверхностных дефектов;
• объемную, когда в кристалле имеются дислокации;
• вдоль дислокации;
• по границам зерен;
• поверхностную по свободной поверхности кристалла.

Вакансионный механизм диффузии

Возникновение этого явления основано на обмене атома с вакансией, то есть точечным дефектом в кристаллической решетке, который притом является узлом, не занятым ни одним атомом или ионом. Необходимым условием для запуска механизма является наличие таких мест, что, в свою очередь, требует подвода достаточного количества тепловой энергии.  Кроме того, должен быть разрушен барьер потенциала, окружающий атомы, что также требует определенных затрат энергии. Запас необходимой энергии, называемый энергией активации диффузии, обеспечивается тепловыми колебаниями атомов. Поэтому зависимость вероятности появления вакансий и их обмена с атомами от температуры огромна и возрастает экспоненциально. Когда возникает этот механизм, то в дополнение к направленным потокам диффундирующих атомов генерируются и потоки вакансий, направленные в противоположную сторону.

Механизм межузловой диффузии

Этот тип механизма включает в себя последовательные перескоки межузловых атомов с атомами основы. Такие атомы называются атомами с малыми диаметрами по сравнению с атомами основы. Перескоки же происходят из одного межатомного зазора в соседний. В любой кристаллической решетке, даже самой плотной, существуют зазоры двух типов. Первые — октаэдрические представляют собой большие зазоры, а тетраэдрические — меньшие. Это механизм, с помощью которого, например, диффундируют атомы водорода, углерода, азота или кислорода. Все, кроме водорода, имеют настолько большие диаметры по отношению к зазорам, что они оказывают сжимающее напряжение в решетке. Скорость механизма относительно вакансии намного выше, так как энергии, необходимой для активации, требуется примерно в два раза меньше. Эта энергия зависит не от наличия вакансий, а от плотности заполнения решетки.

Диффузия вдоль дислокаций

Факторы, влияющие на скорость диффузии в твердых телах

1. Температура напрямую связана с тепловыми колебаниями атомов. Они, в свою очередь, отвечают за обеспечение энергии, необходимой атому для перескока из одного узла в другой. Скорость диффузии увеличивается с повышением температуры.
2. Плотность дефектов является фактором, определяющим скорость диффузии. В случае дислокаций и точечных дефектов, чем выше их концентрация, тем выше скорость диффузии. В противоположность этому, комплексы дефектов, наоборот, снижают ее.
3. Увеличение общего давления снижает скорость диффузии в системах, находящихся в атмосфере, которая не вступает в реакцию с материалом. Особенно высокое значение коэффициента наблюдается при высоких давлениях.

Механизм диффузии в твердых телах

Атомы в твердых телах, в кристаллах постоянно меняют свое местоположение. Диффузией называется их миграция в кристаллической решетке. Перескок атома возможен только в том случае, если по соседству с ним имеется свободное место, а сам атом должен обладать достаточной энергией активации. При рассмотрении колебаний атомов в кристаллической решетке важно помнить, что:

• при температуре выше абсолютного нуля каждый атом колеблется с высокой частотой вокруг своего положения;
• не каждый атом колеблется с одинаковой частотой и амплитудой в одно и то же время;
• атомы характеризуются различной энергией;
• один и тот же атом может иметь разную энергию в зависимости от времени;
• энергия атомов увеличивается с ростом температуры.

Диффузия в растворах

Поскольку молекулы растворителя и растворенного вещества находятся в постоянном движении, их распространение приводит к равномерному распределению концентрации по всему объему. Градиент концентрации — это фактор, который активирует диффузию и вызывает поток молекул, устраняя разницу концентраций. Ее скорость прямо пропорциональна градиенту концентраций.

Диффузия газа

Это самый быстропротекающий процесс по сравнению с другими агрегатными состояниями. Спонтанное распространение молекул газа вызвано молекулярно-кинетическим движением. Скорость обусловлена наличием больших пространств между частицами, которые легко могут быть заняты другими веществами. Повышение температуры еще больше увеличивает скорость диффузии, повышая скорость движения свободных частиц.

Законы Фика

Для процесса диффузии, независимо от агрегатного состояния, применяют два закона, введенные Фиком:

1. Первый закон Фика — это зависимость между потоком диффундирующего вещества и градиентом его концентрации. Потоком называется количество вещества, которое перемещается за единицу времени через единицу площади, перпендикулярной этому потоку.
2. Второй закон Фика описывает связь между локальной скоростью изменения концентрации диффундирующего вещества и градиентом его концентрации.

Для каждой системы существует также коэффициент диффузии, который зависит от средней скорости молекул, то есть также от температуры, и от среднего свободного пробега молекул тела.

Повседневные примеры возникновения диффузии:

1. быстрое распространение запахов, появляющихся в помещении;
2. проникновение кислорода в кровь во время дыхания;
3. частицы из чайных листьев диффундируют в сосуде во время заваривания, занимая весь его объем;
4. окрашивание волокон — распределение краски/пигмента;
5. распространение вкусов и ароматов во время добавления приправы.