Diffusion

Klassificeringen av diffusion

Den grundläggande kategoriseringen baseras på det fysiska tillståndet. Enligt denna faktor skiljer vi diffusion i fasta, flytande och gasformiga faser. Om man tänker på spridande atomer kan man särskilja två kategorier. Den första är kemisk diffusion, som uppstår när ett elements atomer rör sig i förhållande till matrisatomerna. Den andra är självdiffusion, orsakad av rörelser av atomer av samma slag i förhållande till varandra. Fastfasdiffusion kan delas in i:

• gitterdiffusion, som förekommer i kristaller som inte innehåller linjära och ytdefekter,
• volumetrisk diffusion, när kristallen har dislokationer,
• längs dislokationen,
• längs korngränserna,
• ytdiffusion på den fria ytan av kristallen.

Vakansmekanismen i diffusion

Fenomenet bygger på utbyte av en atom med en vakans, dvs en punktdefekt i kristallgittret, som också är en nod som inte är fylld med någon atom eller jon. Villkoret för att mekanismen ska inträffa är närvaron av sådana platser, vilket i sin tur kräver leverans av adekvat värmeenergi. Den potentiella barriären som omger atomerna måste också brytas, vilket också kräver en viss mängd energi. Den nödvändiga energin, kallad diffusionsaktiveringsenergin, tillhandahålls av atomernas termiska svängningar. Av denna anledning är sambandet mellan sannolikheten för en vakans och dess utbyte med atomer, och temperatur, enormt och ökar exponentiellt. Vid förekomsten av denna mekanism skapas, förutom de riktade strömmarna av diffuserande atomer, även vakansströmmar riktade i motsatt riktning.

Den interstitiella mekanismen i diffusion

Denna typ av mekanism förutsätter successiva hopp av interstitiella atomer med matrisatomer. Sådana atomer är de med små diametrar jämfört med matrisatomerna. Hopp sker från en interatomär defekt till en intilliggande. I varje kristallgitter, även det tätaste, finns det två typer av defekter. Oktaedriska är större defekter, medan tetraedriska är mindre defekter. Genom att använda denna mekanism diffusa.t.ex. väte-, kol-, kväve- eller syreatomer. Allt utom väte har så stora diametrar i förhållande till defekterna att de utövar tryckspänningar i gittret. Mekanismen sker mycket snabbare än mekanismen för vakansdiffusion, eftersom energin som behövs för dess aktivering är upp till en halv lägre. Det beror inte på närvaron av vakanser, utan på gallrets fyllnadstäthet.

Korngränsdiffusion

Faktorer som påverkar diffusionshastigheten i fasta ämnen

1. Temperaturen är direkt relaterad till atomernas termiska svängningar. Dessa är i sin tur ansvariga för att leverera den energi som behövs för atomens hopp från en nod till nästa. Diffusionshastigheten ökar med ökande temperatur.
2. Defekternas täthet är en faktor som bestämmer diffusionshastigheten. I fallet med dislokationer och punktdefekter, ju högre deras koncentration, desto högre diffusionshastighet. Det motsatta är sant i fallet med defektkomplex, som minskar diffusionshastigheten.
3. En ökning av det totala trycket minskar diffusionshastigheten i system belägna i en atmosfär som inte reagerar med materialet. Särskilt stor betydelse av faktorn observeras vid höga tryck.

Mekanismen för diffusion i fasta ämnen

Atomer i fasta ämnen, i kristaller, ändrar ständigt sin plats. Som diffusion förstår vi deras migration i kristallgittret. En atom kan hoppa bara om det finns ett fritt utrymme i dess närhet och atomen själv har tillräcklig aktiveringsenergi. När man överväger oscillationerna av atomer i kristallgittret bör man ta hänsyn till att:

• vid temperaturer över absolut noll, svänger varje atom med hög frekvens runt sin position.
• inte varje atom svänger med samma frekvens och amplitud samtidigt,
• atomer har olika energier
• samma atom kan ha en annan energi vid en annan tidpunkt,
• atomernas energi ökar tillsammans med temperaturen.

Diffusion i lösningar

På grund av det faktum att molekylerna av både lösningsmedel och löst ämne är i konstant rörelse, leder deras spridning till en jämn fördelning av koncentrationen över hela volymen. Koncentrationsgradienten är en faktor som aktiverar diffusionen och orsakar flödet av molekyler, vilket eliminerar koncentrationsskillnaden. Dess hastighet är direkt proportionell mot koncentrationsgradienten.

Gasdiffusion

Det är den snabbaste processen i förhållande till andra fysiska tillstånd. Den spontana spridningen av gasmolekyler orsakas av molekylär kinetisk rörelse. Hastigheten orsakas av förekomsten av stora utrymmen mellan partiklarna, som lätt kan upptas av andra ämnen. En ökning av temperaturen ökar diffusionshastigheten ännu mer genom att öka hastigheten för de fria partiklarna.

Ficks diffusionslagar

Två lagar introducerade av Fick beskriver diffusionsprocessen, oavsett det fysiska tillståndet:

1. Ficks första lag beskriver förhållandet mellan flödet av ett diffuserande ämne och dess koncentrationsgradient. Fluxet är mängden av ett ämne som rör sig i en tidsenhet genom en yta vinkelrät mot flödet.
2. Ficks andra lag beskriver förhållandet mellan den lokala förändringshastigheten i koncentrationen av ett diffuserande ämne och dess koncentrationsgradient.

För varje system finns också en diffusionskoefficient, som beror på molekylernas medelhastighet, alltså även på temperaturen, och på molekylernas medelfria väg. Vardagliga exempel på diffusion:

1. Snabb passage av lukter i ett rum.
2. Syrets penetration i blodet under andning.
3. Partiklar härrörande från teblad som sprider sig i kärlet under bryggning, upp till hela volymen.
4. Färgning av fibrer – spridning av bläck/pigment.
5. Spridning av smaker och aromer under smaksättning.