difüzyon

difüzyon sınıflandırması

Temel kategorizasyon fiziksel duruma dayanmaktadır. Bu faktöre göre difüzyonu katı, sıvı ve gaz fazlarında ayırırız. Yayılan atomlar düşünüldüğünde, iki kategori ayırt edilebilir. Birincisi, bir elementin atomları matris atomlarına göre hareket ettiğinde meydana gelen kimyasal difüzyondur. İkincisi, aynı türden atomların birbirine göre hareketlerinden kaynaklanan kendi kendine difüzyondur. Katı faz difüzyonu ikiye ayrılabilir:

• doğrusal ve yüzey kusurları içermeyen kristallerde meydana gelen kafes difüzyonu,
• hacimsel difüzyon, kristal dislokasyonlara sahip olduğunda,
• dislokasyon boyunca,
• tane sınırları boyunca,
• kristalin serbest yüzeyinde yüzey difüzyonu.

Difüzyonda boşluk mekanizması

Olay, bir atomun bir boşlukla yer değiştirmesine, yani kristal kafesteki bir nokta hatasına, ki bu da herhangi bir atom veya iyonla dolu olmayan bir düğüme dayanmaktadır. Mekanizmanın oluşması için koşul, yeterli termal enerjinin verilmesini gerektiren bu tür sitelerin varlığıdır. Atomları çevreleyen potansiyel bariyerin de kırılması gerekir ki bu da belli miktarda enerji gerektirir. Difüzyon aktivasyon enerjisi olarak adlandırılan gerekli enerji, atomların termal salınımları ile sağlanır. Bu nedenle bir boşluğun atomlarla yer değiştirme olasılığı ve sıcaklık arasındaki ilişki çok büyüktür ve katlanarak artar. Bu mekanizmanın oluşmasında, difüzyona uğrayan atomların yönlendirilmiş akışlarının yanı sıra, zıt yönde yönlendirilmiş boşluk akışları da yaratılır.

Difüzyonda interstisyel mekanizma

Bu tür bir mekanizma, arayer atomlarının matris atomları ile art arda atlamalarını varsayar. Bu tür atomlar, matris atomlarına kıyasla küçük çaplı olanlardır. Bir atomlar arası kusurdan bitişik olana sıçramalar meydana gelir. Her kristal örgüde, hatta en yoğun olanında bile iki tür kusur vardır. Oktahedral daha büyük kusurlardır, tetrahedral ise daha küçük kusurlardır. Bu mekanizmayı kullanarak, diffüze.g. hidrojen, karbon, nitrojen veya oksijen atomları. Hidrojen hariç tümü, kusurlara göre o kadar büyük çaplara sahiptir ki kafeste sıkıştırma gerilmeleri uygularlar. Mekanizma, boşluk difüzyon mekanizmasından çok daha hızlı gerçekleşir, çünkü aktivasyonu için gereken enerji yarıya kadar daha düşüktür. Boşlukların varlığına değil, kafesin doldurma yoğunluğuna bağlıdır.

Tane sınırı difüzyonu

Katılarda difüzyon hızını etkileyen faktörler

1. Sıcaklık doğrudan atomların termal salınımlarıyla ilgilidir. Bunlar da atomun bir düğümden diğerine sıçraması için gereken enerjiyi iletmekten sorumludur. Difüzyon hızı artan sıcaklıkla artar.
2. Kusurların yoğunluğu difüzyon hızını belirleyen bir faktördür. Dislokasyonlar ve nokta kusurları durumunda, konsantrasyonları ne kadar yüksek olursa, difüzyon hızı da o kadar yüksek olur. Difüzyon hızını azaltan kusur kompleksleri için bunun tersi geçerlidir.
3. Malzeme ile reaksiyona girmeyen bir atmosferde bulunan sistemlerde toplam basıncın artması difüzyon hızını azaltır. Faktörün özellikle büyük önemi yüksek basınçlarda gözlenir.

Katılarda difüzyon mekanizması

Katılardaki, kristallerdeki atomlar sürekli konumlarını değiştirir. Difüzyon olarak kristal kafes içindeki göçlerini anlıyoruz. Bir atom ancak çevresinde boş alan varsa ve atomun kendisi yeterli aktivasyon enerjisine sahipse sıçrayabilir. Kristal kafesteki atomların salınımları göz önüne alındığında, aşağıdakiler dikkate alınmalıdır:

• mutlak sıfırın üzerindeki sıcaklıklarda, her atom kendi konumu etrafında yüksek frekansla salınır.
• her atom aynı anda aynı frekans ve genlikte salınım yapmaz,
• atomların farklı enerjileri vardır
• aynı atom farklı bir zamanda farklı bir enerjiye sahip olabilir,
• atomların enerjisi sıcaklıkla birlikte artar.

Çözeltilerde difüzyon

Hem çözücü hem de çözünen moleküllerinin sürekli hareket halinde olması nedeniyle, yayılmaları hacim boyunca eşit bir konsantrasyon dağılımına yol açar. Konsantrasyon gradyanı, difüzyonu aktive eden ve moleküllerin akışına neden olan, konsantrasyon farkını ortadan kaldıran bir faktördür. Hızı, konsantrasyon gradyanı ile doğru orantılıdır.

Gaz difüzyonu

Diğer fiziksel durumlarla ilişkili olarak en hızlı süreçtir. Gaz moleküllerinin kendiliğinden yayılması, moleküler kinetik hareketten kaynaklanır. Hız, diğer maddeler tarafından kolayca doldurulabilen parçacıklar arasındaki geniş boşlukların varlığından kaynaklanır. Sıcaklıktaki bir artış, serbest parçacıkların hızını artırarak difüzyon hızını daha da artırır.

Fick’in difüzyon yasaları

Fick tarafından getirilen iki yasa, fiziksel durumdan bağımsız olarak difüzyon sürecini tanımlar:

1. Fick’in birinci yasası, yayılan bir maddenin akışı ile konsantrasyon gradyanı arasındaki ilişkiyi tanımlar. Akı, akıya dik bir birim yüzey boyunca birim zamanda hareket eden madde miktarıdır.
2. Fick’in ikinci yasası, yayılan bir maddenin konsantrasyonundaki yerel değişim oranı ile konsantrasyon gradyanı arasındaki ilişkiyi tanımlar.

Her sistem için ayrıca moleküllerin ortalama hızına, yani sıcaklığa ve moleküllerin ortalama serbest yoluna bağlı olan bir difüzyon katsayısı da vardır. Günlük difüzyon örnekleri:

1. Bir odadaki kokuların hızlı geçişi.
2. Solunum sırasında oksijenin kana nüfuz etmesi.
3. Demleme sırasında tüm hacme kadar kapta yayılan çay yapraklarından elde edilen parçacıklar.
4. Liflerin boyanması – mürekkebin/pigmentin yayılması.
5. Baharatlama sırasında tatların ve aromaların yayılması.