Диффузия веществ представляет процесс самопроизвольного перемешивания взаимодействующих между собой веществ, осуществляющийся как следствие молекулярного движения в хаотичном порядке.
Огромное значение имеет диффузия в технике, в окружающей среде, в быту. Процессы диффузии способны как положительно воздействовать на жизнедеятельность человека, так и отрицательно.
В качестве примера воздействия на положительном уровне выступает поддержание однородного состава воздуха атмосферы вблизи земной поверхности. Диффузия важную роль играет в различных научных и технических областях. Также значимое влияние она оказывает на различные химические реакции.
Разновидности диффузии веществ
Диффузия характеризуется процессом переноса вещества из одной части системы в иную, что происходит по причине беспорядочно перемещающихся частиц. Различают такие разновидности диффузии:
- Самодиффузия представляет диффузию частиц одного вещества, протекающую при условии отсутствия градиента любой движущей силы.
- Концентрационная диффузия характеризуется перемещением вещества под определенным воздействием градиента концентрации. Такая диффузия также будет называть нисходящей, что обусловлено перемещением вещества из участков с большей концентрацией в такие же, только с меньшей.
- Термодиффузия заключается в переносе вещества под определенным температурным воздействием. Данный вид диффузии обусловлен появлением в температурном поле градиента химического потенциала диффундирующего вещества, которое будет перемещаться из частей системы, где его химический потенциал более высокий, в части с низким потенциалом. Концентрация вещества при этом будет изменяться в обратном направлении, а такая диффузия получила название восходящей.
- Реактивная диффузия характеризуется перемещением вещества в такие участки системы, где становится возможным образование с другим компонентом раствора химического соединения (диффундирующее вещество будет выводиться из исходной фазы в обособленную.
- Концентрационная диффузия считается в физике самым простым случаем и наиболее изученным.
Процессы такой разновидности диффузии описывает уравнение законов Фика:
$dm = -{D}{dS}{dx}\frac{dc}{dx}$, где:
- $dm$ - количество продиффундировавшего вещества;
- $dS$ – площадь сечения диффузионного потока,
- $D$ – коэффициент диффузии;
- $\frac{dc}{dx}$ - градиент концентрации, отрицательный потому, что диффузия идет от большей концентрации к меньшей.
Влияние природы взаимодействующих веществ при диффузии
Значение коэффициента диффузии $D$ оказывается тем выше, чем больше наблюдается отличие природы диффундирующего элемента от природы растворителя.
Выражение зависимости коэффициента диффузии от концентрации диффундирующего элемента записывается таким образом:
$D = {D_о}\frac{C_t}{C_t-C_x}$, где:
- $C_t$ – предельная концентрация, которая соответствует насыщению твердого раствора;
- $C_x$– концентрация диффундирующего элемента;
- $D_o$ – предельное значение коэффициента диффузии при уменьшении концентрации растворенного компонента до нуля.
Активность диффузии будет зависимой от образуемого элементами типа раствора (внедрения или замещения).
При расположении атомов диффундирующего вещества между узлами основной решетки, энергетические затраты будут существенно меньшими, что обусловлено отсутствием изъятия атомов из узлов при происхождении процесса. Диффузия при таких условиях будет протекать значительно быстрее.
Существенно на скорости процесса диффузии будет отражаться присутствие в твердом растворе (помимо диффундирующего и основного веществ) третьего компонента. Такое воздействие будет различным в зависимости от ряда важных факторов:
- растворение занимающего свободные места твердого компонента может существенно затруднить процесс диффузии;
- присутствие в кристаллической решетке инородных атомов будет искажать ее, облегчая тем самым сам процесс диффузии.
В значительной мере диффузия ускоряется по границам зерен металла, где наблюдается сильное искажение структуры. Располагающиеся у поверхности металла атомные слои тоже имеют искаженную кристаллическую решетку и повышенный энергетический запас энергии. Это объясняет более быстрое протекание диффузии с поверхности в сравнении с внутренними объемами.
Мелким кристаллам свойственна большая величина поверхностной энергии на единицу массы металла, в сравнении с крупными. Это становится результатом того, что, на основании законов термодинамики, тенденция к росту кристаллов существует всегда, поскольку при этом наблюдается уменьшение свободной энергии системы.
В то же время, при условии низких температур, подобная тенденция не сможет проявляться столь заметным образом, поскольку число блуждающих дислоцированных атомов будет очень маленьким.
При повышающейся температуре будет фиксироваться рост количества таких атомов. При этом в мелких кристаллах их окажется больше, в сравнении с крупными, поскольку мелкие зерна являются «обладателями» большего энергетического запаса.
При этом формируются диффузионные потоки атомов от кристаллов меньших размеров к более крупным. Различие в размерах кристаллов повышается, ускоряя тем самым процесс до полного поглощения крупными кристаллами мелких.
Пример диффузии веществ
Рассмотрим пример диффузии вещества из объема на поверхность катализатора или на поверхность реагирующих веществ. Так, пусть превращение вещества будет представлять реакцию первого порядка со скоростью, равной
$w_{хим} = {ksC_п}$, где:
- $w_{хим}$ – количество вещества, реагирующего в единицу времени у поверхности $S$;
- $С_п$ – концентрация реагента у поверхности.
Следствием превращения $С_п$ становится его значение, более меньшее, чем концентрация вещества в объеме раствора $С_{об}$ . Всю реагирующую смесь можно разделить на две области:
- область постоянной концентрации подальше от поверхности реакции;
- область быстро изменяющейся концентрации непосредственно рядом с этой поверхностью.
Экспериментальным способом было установлено нулевое значение скорости движения жидкости на всех твердых поверхностях, граничащих с движущейся жидкостью. Транспортировка вещества выполняется через прилегающий к поверхности твердого тела неподвижный слой жидкости, что происходит вследствие диффузии реагирующих веществ.
Такой неподвижный слой получил название слоя Нернста, чья толщина будет зависеть от свойств растворенного вещества, растворителя, скорости перемещения и пр.
Для жидкости, к примеру, толщина данного слоя δ составит примерно 0.02 – 0.05 мм и возможно даже меньше. За его пределами процесс движения жидкости спровоцирует выравнивание концентрации в объеме раствора. Перенос массы вследствие диффузии описывается уравнением Фика:
$\frac{dn}{dt} = -{SD}\frac{dC}{dx}$, где:
- $\frac{dn}{dt} – количество вещества, диффундирующего за единицу времени через фиксированную поверхность $S$ в направлении возрастающих значений $x$..
- $x$ – направление диффузии;
- $D$ – коэффициент диффузии.
