Dyfuzja - na czym polega i gdzie występuje?

Dyfuzja jest procesem samoistnego mieszania się cząsteczek w określonym ośrodku, zachodzącym pod wpływem ruchów cieplnych lub dążenia do wyrównania stężeń. Proces zachodzi najszybciej w gazach, natomiast najwolniej w ciałach stałych. Co więcej, proces jest szybszy w substancjach o wyższych temperaturach, ponieważ cząsteczki mają wtedy większą energię.

Co to jest dyfuzja

Dyfuzją nazywa się całą grupę procesów, w których cząsteczki samorzutnie rozprzestrzeniają się w danym ośrodku. Może zachodzić zarówno w gazie, jak i cieczy, a rzadziej - nawet w ciele stałym. Co więcej, rozprzestrzenianie się może dotyczyć nie tylko cząsteczek, ale również energii. Proces ten jest skutkiem chaotycznego zderzania się cząsteczek substancji, która przenika do danego ośrodka z cząsteczkami tego ośrodka.

Biorąc pod uwagę skalę na jaką zachodzi dyfuzja, rozróżnia się dyfuzję śledzoną oraz dyfuzję chemiczną. O dyfuzji śledzonej mówi się w kontekście chaotycznego ruchu jednej cząsteczki. Dyfuzja chemiczna jest z kolei procesem makroskopowym, który obejmuje większe ilości materii albo energii. Ten rodzaj dyfuzji prowadzi zwykle do wyrównania temperatury w mieszaninie albo do wyrównania stężenia wszystkich substancji w całej mieszance.

Z fizycznego punktu widzenia, układ kilku substancji dąży do uzyskania stanu równowagi termodynamicznej, w której energia swobodna jest jak najniższa. Co ciekawe, wyrównanie stężeń wszystkich substancji w mieszaninie nie oznacza, że proces dyfuzji dalej nie przebiega. Mimo osiągnięcia równowagi dyfuzja trwa dalej, jednak stężenia poszczególnych substancji dalej się nie zmieniają.

Rozróżnia się także dyfuzję dwukierunkową oraz jednokierunkową. Dyfuzja dwukierunkowa to na przykład mieszanie się gazów, a także proces tworzenia się ciekłych roztworów substancji, które mieszają się lub jeden ze składników rozpuszcza się w drugim. Dyfuzja jednokierunkowa zachodzi z kolei podczas przenikania gazów przez metale, w procesach obróbki cieplnej stali, a także podczas tworzenia roztworów metali.

Dyfuzja - przykłady

Przykładem procesu dyfuzji, który obserwuje się w codziennym życiu, jest rozprzestrzenianie się zapachów w powietrzu. Zapachy zazwyczaj rozchodzą się po wpływem ruchów powietrza, jednak na skutek dyfuzji mogą rozchodzić się również w nieruchomym powietrzu.

Proces dyfuzji jest jednym ze zjawisk, dzięki któremu możliwe jest oddychanie. W procesie oddychania następuje dyfuzja między pęcherzykami płucnymi a płynnym środowiskiem krwi w naczyniach włosowatych. Podczas takiego procesu tlen dyfunduje w jedną stronę, natomiast dwutlenek węgla w drugą.

Inny przykład dyfuzji to osmoza, czyli proces przemieszczania się cząsteczek oraz jonów przez półprzepuszczalne błony. Taki proces ma na celu doprowadzenie do wyrównania stężenia jonów lub stężenia określonego związku chemicznego. Co ważne, błony półprzepuszczalne pozwalają na przenikanie przez nie tylko niektórych składników o określonych rozmiarach cząsteczek. Cząsteczki większe nie są przez takie błony przepuszczane. Ciekawym rodzajem osmozy jest tak zwana „osmoza odwrócona” polegająca na przenikaniu przez półprzepuszczalne błony rozpuszczalnika z obszaru o większym stężeniu konkretnej substancji do roztworu, który ma mniejsze stężenie tej substancji. Taki rodzaj osmozy prowadzi do zwiększenia energii układu, co oznacza, że nie zachodzi ona naturalnie, ale musi być napędzana, na przykład poprzez oddziaływanie ciśnieniem albo napięciem elektrycznym.

Dyfuzję w cieczach spotyka się często w codziennym życiu. Przykładami takich procesów jest na przykład mieszanie się soku z wodą, miodu z herbatą, wody z solą, a także herbaty z cukrem. Również samo zaparzanie herbaty jest możliwe dzięki procesom dyfuzji. Poza tym, za sprawą procesu rozprzestrzeniania się cząsteczek w wodzie możliwe jest przeprowadzanie wielu procesów technologicznych, na przykład barwienia tkanin.

Przykładem dyfuzji w ciele stałym jest zmiana umiejscowienia atomów w sieci krystalicznej. Proces taki zachodzi po wpływem energii cieplnej działającej na ciało stałe i jest jedną z przyczyn degradacji między innymi elementów elektronicznych. Czasami proces jest jednak korzystny i wykorzystuje się go w produkcji elementów półprzewodnikowych. Dyfuzja w ciałach stałych zachodzi również wtedy, gdy położy się na sobie złotą oraz srebrną płytkę. Po kilku miesiącach można zaobserwować, że w płytce srebrnej znajdują się cząsteczki złota, a w płytce złota są cząsteczki srebra.