Яна Лисовая
март 2016.
481

Почему диффузия возможна в одних случаях и невозможна в других?

Ответить
Ответить
Комментировать
0
Подписаться
1
1 ответ
Поделиться

Для диффузии необходимо три вещи: движущая сила, наличие у диффундирующих частиц достаточной энергии (актуально в основном для твердых тел), чтобы совершать поступательное движение в поле действующих на нее сил, и (актуально только для твердых тел) наличие места, куда частице прыгнуть для совершения шага диффузии.

1) Движущая сила. Какой-либо потенциал - концентрационный, химический, температурный, барический, электрический, механический, гравитационный, в конце концов просто энтропия смешения. По большому счету наличие движущей силы означает, что результатом диффузии является выигрыш энергии за счет чего-то. Как отсутствие движущей силы убивает диффузию хорошо можно увидеть на примере системы вода/масло: проблем с перемещением молекул в жидкостях нет, места для перепрыгивания молекул тоже достаточно, очевидно, что энтропийный выигрыш при смешении гарантирован. Однако, межмолекулярные силы в воде настолько сильны, а в системе вода-масло настолько слабы, что если мы порвем водородные связи в воде и создадим новые вандерваальсовы связи между молекулами воды и масла, то проигрыш энергии будет настолько велик, что перекроет энтропийный выигрыш. Поэтому диффузии практически не происходит, жидкости не смешиваются.

2) Энергия частиц. Если мы отшлифуем две поверхности твердых тел разного состава и совместим их (т.н. "диффузионная пара" - модельная система для изучения кинетики твердофазных процессов), то теоретически должна происходить диффузия хотя бы за счет энтропийного фактора. Можно даже еще добавить химический потенциал - эти вещества реагируют друг с другом, дополнительная движущая сила. Однако, на практике при комнатной температуре (и за разумное время, не годы, а часы или дни) скорее всего максимум, что мы увидим - это проникновение/реакцию на поверхности контакта. В чем дело? Дело в том, что решеточный потенциал у твердых тел настолько высок, что вырваться из него атому/иону при комнатной температуре практически невозможно. Собственно, именно это и определяет низкий коэффициент диффузии у твердых тел. Если мы поднимем температуру, то внутренняя энергия образующих решетку частиц возрастет и рано или поздно станет достаточной, чтобы преодолевать энергию решетки и перемещаться. И тут вступает третий фактор - 

3. Наличие свободного места. Это либо дефект - пустое место в решетке или полость между позициями, достаточного размера, чтобы принять т.н. "внедренный" атом/ион (т.е. атом/ион, который не занимает "правильное" место в решетке, а болтается где-то между регулярными позициями), либо это может быть соседний атом/ион, если он готов прыгнуть на освобождающееся место перемещающегося атома/иона. Есть много разных механизмов диффузии, в том числе и более сложных, но в целом дефектные механизмы, как правило, более эффективны и именно поэтому наличие дефектности серьезно облегчает диффузию (хуже всего диффузия проходит в монокристаллах высокого качества).

Ответить