คำว่า "การแพร่" อธิบายถึงการเคลื่อนที่ของพลังงานหรือโมเลกุล/อนุภาคในตัวกลางที่กำหนดซึ่งเป็นผลมาจากการชนกันอย่างวุ่นวายระหว่างกันหรือกับอนุภาคของตัวกลางที่อยู่รอบๆ บ่อยครั้งที่เราพูดถึงการแพร่กระจายในบริบทของการถ่ายโอนโมเลกุลที่เกิดจากความแตกต่างของความเข้มข้น การแพร่กระจายเป็นกระบวนการที่สังเกตได้ทั่วไปในธรรมชาติ ซึ่งใช้โดยสิ่งมีชีวิต นอกจากนี้ ยังมีบทบาทสำคัญในกระบวนการสำคัญหลายอย่างในอุตสาหกรรมต่างๆ เช่น โลหะวิทยาและเซรามิก เช่น ระหว่างการเปลี่ยนเฟส การเผาผนึก หรือการแข็งตัวของเฟส การแพร่เกิดจากปัจจัยต่างๆ เช่น การไล่ระดับสี: ความเข้มข้น อุณหภูมิ ความดัน แรงภายนอก และการมีอยู่ของประจุไฟฟ้า
การจำแนกประเภทของการแพร่กระจาย
การแบ่งประเภทพื้นฐานขึ้นอยู่กับสถานะทางกายภาพ จากปัจจัยนี้ เราจำแนกการแพร่กระจายในเฟสของแข็ง ของเหลว และก๊าซ เมื่อคิดถึงการแพร่กระจายของอะตอม เราอาจแยกความแตกต่างได้สองประเภท ประการแรกคือการแพร่กระจายทางเคมีซึ่งเกิดขึ้นเมื่ออะตอมของธาตุเคลื่อนที่สัมพันธ์กับอะตอมของเมทริกซ์ ประการที่สองคือการแพร่ตัวเองซึ่งเกิดจากการเคลื่อนที่ของอะตอมชนิดเดียวกันที่สัมพันธ์กัน การแพร่กระจายของของแข็งสามารถแบ่งออกเป็น:
- การแพร่กระจายของตาข่ายที่เกิดขึ้นในผลึกที่ไม่มีข้อบกพร่องเชิงเส้นและพื้นผิว
- การแพร่กระจายเชิงปริมาตร เมื่อคริสตัลมีความคลาดเคลื่อน
- ตามความคลาดเคลื่อน
- ตามขอบของเมล็ดข้าว
- การแพร่กระจายบนพื้นผิวที่ว่างของคริสตัล
กลไกความว่างในการแพร่กระจาย
ปรากฏการณ์นี้ขึ้นอยู่กับการแลกเปลี่ยนอะตอมกับความว่าง นั่นคือจุดบกพร่องในโครงตาข่ายคริสตัล ซึ่งเป็นโหนดที่ไม่ได้เต็มไปด้วยอะตอมหรือไอออนใดๆ เงื่อนไขสำหรับกลไกที่จะเกิดขึ้นคือการมีอยู่ของไซต์ดังกล่าว ซึ่งจะต้องมีการส่งพลังงานความร้อนที่เพียงพอ สิ่งกีดขวางที่อาจเกิดขึ้นรอบอะตอมจะต้องถูกรบกวนด้วย ซึ่งต้องใช้พลังงานจำนวนหนึ่งด้วย พลังงานที่จำเป็น เรียกว่า พลังงานกระตุ้นการแพร่กระจาย ได้มาจากการสั่นด้วยความร้อนของอะตอม ด้วยเหตุผลนี้ ความสัมพันธ์ระหว่างความน่าจะเป็นของตำแหน่งว่างกับการแลกเปลี่ยนกับอะตอมและอุณหภูมิจึงมีมากและเพิ่มขึ้นอย่างทวีคูณ ในการเกิดขึ้นของกลไกนี้ นอกจากกระแสที่กำกับของอะตอมที่กระจายแล้ว กระแสความว่างที่พุ่งไปในทิศทางตรงกันข้ามก็ถูกสร้างขึ้นด้วย
กลไกคั่นระหว่างหน้าในการแพร่กระจาย
กลไกประเภทนี้ถือว่าการกระโดดของอะตอมคั่นระหว่างหน้าต่อเนื่องกับอะตอมของเมทริกซ์ อะตอมดังกล่าวเป็นอะตอมที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางเล็กเมื่อเทียบกับอะตอมของเมทริกซ์ การกระโดดเกิดขึ้นจากข้อบกพร่องระหว่างอะตอมหนึ่งไปยังอีกอันที่อยู่ติดกัน ในตาข่ายคริสตัลทุกอัน แม้แต่อันที่หนาแน่นที่สุด ก็มีข้อบกพร่องอยู่สองประเภท Octahedral เป็นข้อบกพร่องที่ใหญ่กว่าในขณะที่ tetrahedral เป็นข้อบกพร่องที่เล็กกว่า การใช้กลไกนี้ diffusee.g. อะตอมของไฮโดรเจน คาร์บอน ไนโตรเจน หรือออกซิเจน ไฮโดรเจนทั้งหมดมีเส้นผ่านศูนย์กลางขนาดใหญ่เมื่อเทียบกับข้อบกพร่องที่พวกมันออกแรงกดทับในโครงตาข่าย กลไกนี้เกิดขึ้นเร็วกว่ากลไกการแพร่กระจายที่ว่างมาก เนื่องจากพลังงานที่จำเป็นสำหรับการกระตุ้นนั้นต่ำกว่าถึงครึ่งหนึ่ง ไม่ได้ขึ้นอยู่กับตำแหน่งงานว่าง แต่ขึ้นอยู่กับความหนาแน่นของการบรรจุตาข่าย
การกระจายขอบเขตของเกรน
ปัจจัยที่มีผลต่ออัตราการแพร่ในของแข็ง
- อุณหภูมิเกี่ยวข้องโดยตรงกับการสั่นด้วยความร้อนของอะตอม ในทางกลับกัน สิ่งเหล่านี้มีหน้าที่ส่งพลังงานที่จำเป็นสำหรับการกระโดดของอะตอมจากโหนดหนึ่งไปยังโหนดถัดไป อัตราการแพร่เพิ่มขึ้นตามอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น
- ความหนาแน่นของข้อบกพร่องเป็นปัจจัยกำหนดอัตราการแพร่ ในกรณีของการเคลื่อนตัวและจุดบกพร่อง ยิ่งมีความเข้มข้นสูง อัตราการแพร่กระจายก็จะยิ่งสูงขึ้น ตรงกันข้ามในกรณีของคอมเพล็กซ์ข้อบกพร่องซึ่งลดอัตราการแพร่
- การเพิ่มขึ้นของความดันรวมจะลดอัตราการแพร่ในระบบที่ตั้งอยู่ในบรรยากาศที่ไม่ทำปฏิกิริยากับวัสดุ ปัจจัยสำคัญอย่างยิ่งโดยเฉพาะอย่างยิ่งสังเกตได้ที่แรงกดดันสูง
กลไกการแพร่กระจายในของแข็ง
อะตอมในของแข็ง ในผลึก เปลี่ยนตำแหน่งตลอดเวลา ในฐานะที่เป็นการแพร่กระจายเราเข้าใจการโยกย้ายของพวกเขาในตาข่ายคริสตัล อะตอมสามารถกระโดดได้ก็ต่อเมื่อมีพื้นที่ว่างในบริเวณใกล้เคียง และตัวอะตอมเองมีพลังงานกระตุ้นที่เพียงพอ เมื่อพิจารณาการแกว่งของอะตอมในผลึกขัดแตะ ควรคำนึงถึงสิ่งต่อไปนี้
- ที่อุณหภูมิสูงกว่าศูนย์สัมบูรณ์ อะตอมแต่ละอะตอมจะแกว่งด้วยความถี่สูงรอบตำแหน่ง
- ไม่ใช่ว่าทุกอะตอมจะแกว่งด้วยความถี่และแอมพลิจูดที่เท่ากันในเวลาเดียวกัน
- อะตอมมีพลังงานต่างกัน
- อะตอมเดียวกันสามารถมีพลังงานต่างกันได้ในเวลาต่างกัน
- พลังงานของอะตอมจะเพิ่มขึ้นพร้อมกับอุณหภูมิ
การแพร่กระจายในสารละลาย
เนื่องจากโมเลกุลของทั้งตัวถูกละลายและตัวถูกละลายมีการเคลื่อนที่ตลอดเวลา การแพร่กระจายของพวกมันจึงนำไปสู่การกระจายตัวของความเข้มข้นอย่างสม่ำเสมอทั่วทั้งปริมาตร การไล่ระดับความเข้มข้นเป็นปัจจัยที่กระตุ้นการแพร่และทำให้เกิดการไหลของโมเลกุล โดยขจัดความแตกต่างของความเข้มข้น ความเร็วของมันเป็นสัดส่วนโดยตรงกับการไล่ระดับความเข้มข้น
การแพร่กระจายของก๊าซ
เป็นกระบวนการที่เร็วที่สุดเมื่อเทียบกับสถานะทางกายภาพอื่นๆ การแพร่กระจายของโมเลกุลก๊าซที่เกิดขึ้นเองนั้นเกิดจากการเคลื่อนที่ของโมเลกุล ความเร็วเกิดจากการมีช่องว่างขนาดใหญ่ระหว่างอนุภาคซึ่งสามารถถูกครอบครองโดยสารอื่นได้ง่าย อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นจะเพิ่มอัตราการแพร่มากขึ้นโดยการเพิ่มความเร็วของอนุภาคอิสระ
กฎการแพร่กระจายของฟิค
กฎสองข้อที่แนะนำโดย Fick อธิบายถึงกระบวนการแพร่โดยไม่คำนึงถึงสถานะทางกายภาพ:
- กฎข้อที่หนึ่งของฟิคอธิบายความสัมพันธ์ระหว่างฟลักซ์ของสารที่ฟุ้งกระจายและการไล่ระดับความเข้มข้น ฟลักซ์คือปริมาณของสารที่เคลื่อนที่ในหน่วยเวลาผ่านหน่วยของพื้นผิวที่ตั้งฉากกับฟลักซ์
- กฎข้อที่สองของ Fick อธิบายความสัมพันธ์ระหว่างอัตราการเปลี่ยนแปลงในท้องถิ่นของความเข้มข้นของสารที่ฟุ้งกระจายและการไล่ระดับความเข้มข้นของสารนั้น
สำหรับแต่ละระบบ ยังมีค่าสัมประสิทธิ์การแพร่ ซึ่งขึ้นอยู่กับความเร็วเฉลี่ยของโมเลกุล เช่น อุณหภูมิ และค่าเฉลี่ยของเส้นทางอิสระของโมเลกุล ตัวอย่างการแพร่กระจายในชีวิตประจำวัน:
- กลิ่นผ่านอย่างรวดเร็วในห้อง
- การแทรกซึมของออกซิเจนเข้าสู่กระแสเลือดระหว่างการหายใจ
- อนุภาคที่ได้จากใบชาจะกระจายตัวในภาชนะระหว่างการต้มจนถึงปริมาตรทั้งหมด
- การย้อมสีเส้นใย – การแพร่กระจายของหมึก/เม็ดสี
- กระจายรสชาติและกลิ่นหอมระหว่างการปรุงรส
