Difúzia

Klasifikácia difúzie

Základná kategorizácia je založená na fyzickom stave. Podľa tohto faktora rozlišujeme difúziu v pevnej, kvapalnej a plynnej fáze. Keď uvažujeme o difúznych atómoch, môžeme rozlíšiť dve kategórie. Prvým je chemická difúzia, ku ktorej dochádza, keď sa atómy prvku pohybujú vzhľadom na atómy matrice. Druhou je vlastná difúzia spôsobená pohybmi atómov rovnakého druhu voči sebe navzájom. Difúziu tuhej fázy možno rozdeliť na:

• mriežková difúzia vyskytujúca sa v kryštáloch, ktoré neobsahujú lineárne a povrchové defekty,
• objemová difúzia, keď má kryštál dislokácie,
• pozdĺž dislokácie,
• pozdĺž hraníc zŕn,
• povrchová difúzia na voľnom povrchu kryštálu.

Mechanizmus voľných miest v difúzii

Jav je založený na zámene atómu s vakanciou, teda bodovým defektom v kryštálovej mriežke, ktorá je zároveň uzlom nevyplneným žiadnym atómom alebo iónom. Podmienkou vzniku mechanizmu je prítomnosť takýchto miest, čo si zase vyžaduje dodávku primeranej tepelnej energie. Potenciálna bariéra obklopujúca atómy musí byť tiež narušená, čo tiež vyžaduje určité množstvo energie. Potrebnú energiu, nazývanú difúzna aktivačná energia, poskytujú tepelné oscilácie atómov. Z tohto dôvodu je vzťah medzi pravdepodobnosťou prázdneho miesta a jeho výmenou s atómami a teplotou obrovský a exponenciálne rastie. Pri výskyte tohto mechanizmu sa okrem smerovaných prúdov difúznych atómov vytvárajú aj prúdy vakancií smerované opačným smerom.

Intersticiálny mechanizmus v difúzii

Tento typ mechanizmu predpokladá postupné skoky intersticiálnych atómov s atómami matrice. Takéto atómy sú tie, ktoré majú malý priemer v porovnaní s atómami matrice. Preskoky sa vyskytujú z jedného medziatómového defektu na susedný. V každej kryštálovej mriežke, dokonca aj v tej najhustejšej, sú dva typy defektov. Oktaedrické sú väčšie defekty, zatiaľ čo tetraedrické sú menšie defekty. Pomocou tohto mechanizmu difúzujte napr. atómy vodíka, uhlíka, dusíka alebo kyslíka. Všetky okrem vodíka majú také veľké priemery vzhľadom na defekty, že vyvíjajú tlakové napätie v mriežke. Mechanizmus prebieha oveľa rýchlejšie ako mechanizmus difúzie vakancie, pretože energia potrebná na jeho aktiváciu je až o polovicu nižšia. Nezávisí od prítomnosti voľných miest, ale od hustoty naplnenia mriežky.

Difúzia na hranici zŕn

Faktory ovplyvňujúce rýchlosť difúzie v pevných látkach

1. Teplota priamo súvisí s tepelnými osciláciami atómov. Tie sú zase zodpovedné za dodávanie energie potrebnej na skok atómu z jedného uzla do druhého. Rýchlosť difúzie sa zvyšuje so zvyšujúcou sa teplotou.
2. Hustota defektov je faktorom určujúcim rýchlosť difúzie. V prípade dislokácií a bodových defektov platí, že čím vyššia je ich koncentrácia, tým vyššia je rýchlosť difúzie. Opak je pravdou v prípade defektných komplexov, ktoré znižujú rýchlosť difúzie.
3. Zvýšenie celkového tlaku znižuje rýchlosť difúzie v systémoch umiestnených v atmosfére, ktorá nereaguje s materiálom. Obzvlášť veľký význam faktora sa pozoruje pri vysokých tlakoch.

Mechanizmus difúzie v pevných látkach

Atómy v pevných látkach, v kryštáloch, neustále menia svoje umiestnenie. Ako difúziu chápeme ich migráciu v kryštálovej mriežke. Atóm môže skákať len vtedy, ak je v jeho blízkosti voľný priestor a samotný atóm má dostatočnú aktivačnú energiu. Pri zvažovaní oscilácií atómov v kryštálovej mriežke je potrebné vziať do úvahy, že:

• pri teplotách nad absolútnou nulou každý atóm osciluje s vysokou frekvenciou okolo svojej polohy.
• nie každý atóm osciluje s rovnakou frekvenciou a amplitúdou v rovnakom čase,
• Atómy majú rôzne energie
• ten istý atóm môže mať inú energiu v inom čase,
• energia atómov rastie spolu s teplotou.

Difúzia v roztokoch

Vzhľadom na to, že molekuly rozpúšťadla aj rozpustenej látky sú v neustálom pohybe, ich šírenie vedie k rovnomernému rozloženiu koncentrácie v celom objeme. Koncentračný gradient je faktor, ktorý aktivuje difúziu a spôsobuje tok molekúl, čím sa eliminuje rozdiel v koncentrácii. Jeho rýchlosť je priamo úmerná koncentračnému gradientu.

Difúzia plynu

Je to najrýchlejší proces vo vzťahu k iným fyzikálnym stavom. Spontánne šírenie molekúl plynu je spôsobené molekulárnym kinetickým pohybom. Rýchlosť je spôsobená prítomnosťou veľkých priestorov medzi časticami, ktoré môžu byť ľahko obsadené inými látkami. Zvýšenie teploty ešte viac zvyšuje rýchlosť difúzie zvýšením rýchlosti voľných častíc.

Fickove zákony difúzie

Dva zákony zavedené Fickom opisujú proces difúzie bez ohľadu na fyzický stav:

1. Prvý Fickov zákon popisuje vzťah medzi tokom difúznej látky a jej koncentračným gradientom. Tok je množstvo látky, ktoré sa pohybuje za jednotku času cez jednotku povrchu kolmú na tok.
2. Druhý Fickov zákon popisuje vzťah medzi lokálnou rýchlosťou zmeny koncentrácie difundujúcej látky a jej koncentračným gradientom.

Pre každý systém existuje aj difúzny koeficient, ktorý závisí od priemernej rýchlosti molekúl, teda aj od teploty, a od strednej voľnej dráhy molekúl. Každodenné príklady difúzie:

1. Rýchly prechod pachov v miestnosti.
2. Prienik kyslíka do krvi počas dýchania.
3. Častice pochádzajúce z čajových lístkov sa rozprestierajú v nádobe počas lúhovania až do celého objemu.
4. Farbenie vlákien – nanášanie atramentu/pigmentu.
5. Šírenie chutí a vôní počas dochucovania.