4

Размещено на http://www.allbest.ru/

Диффузия твердого тела

Диффумзия взаимное проникновение соприкасающихся веществ друг в друга вследствие теплового движения частиц вещества. Д. происходит в направлении падения концентрации вещества и ведёт к равномерному распределению вещества по всему занимаемому им объёму (к выравниванию химического потенциала).

Процесс диффузии веществ из одного твердого тела в другое при их тесном контакте осуществляется с большим трудом и в технике почти не применяется. В процессах химико-термической обработки используются жидкости и газы. Контакт жидкости или газа с твердым телом во всех случаях получается очень тесным, несравненно более тесным, чем это может быть достигнуто даже при самом сильном прижатии твердых тел между собой.

При цементации помещают стальную деталь в специальные вещества, содержащие углерод, и нагревают до высоких температур. При этих условиях происходит образование окиси углерода CO, которая при соприкосновении со стальной деталью отдает ей свой углерод, а углерод постепенно диффундирует с поверхности внутрь детали:

При азотировании стальная деталь омывается со всех сторон газами, содержащими азот. При соприкосновении со стальной деталью происходит разложение газа, и получившийся в результате этого азот сначала соединяется с атомами железа на поверхности детали (как бы впитывается поверхностью стальной детали), а потом диффундирует внутрь детали.

Как уже говорилось, диффузия в твердых телах происходит очень медленно. За несколько часов углерод при цементации или азот при азотировании успевают проникнуть внутрь стальной детали на очень небольшую глубину, измеряемую десятыми долями миллиметра. Из этого следует, что в процессах химико-термической обработки изменяется химический состав стальной детали лишь в ее поверхностном слое. Но и этого оказывается совершенно достаточно, чтобы резко изменить свойства стальной детали.

В твёрдом теле могут действовать несколько механизмов обмена местами атомов (незанятыми узлами кристаллической решётки), перемещение атомов по междоузлиям, одновременное циклическое перемещение нескольких атомов, прямой обмен местами двух соседних атомов и т.д. Первый механизм преобладает, например, при образовании твёрдых растворов замещения, второй - твёрдых растворов внедрения.

Коэффициент в твёрдых телах крайне чувствителен к дефектам кристаллической решётки, возникшим при нагреве, напряжениях, деформациях и др. воздействиях. Увеличение числа дефектов (главном образом вакансий) облегчает перемещение атомов в твёрдом теле и приводит к росту коэффициента. Для коэффициенту в твёрдых телах характерно резкая (экспоненциальная) зависимость от температуры. Так, коэффициент цинка в медь при повышении температуры от 20 до 300 С возрастает в 10¹⁴ раз.

диффузия твердое тело кристаллизация

Наблюдение диффузии (кристаллизации)

Вещество, рассеянное в мельчайших количествах по всей породе, медленно стягивается и направляется к отдельным центрам кристаллизации, возникшим внутри породы. Силы кристаллического роста иногда настолько велики, что кристаллы упорно раздвигают во все стороны окружающую их твердую породу. В других случаях кристаллы захватывают их внутрь себя. Так растут, например, огромные кристаллы гипса в песках Средней Азии (Репетек). В этих кристаллах почти половину веса составляют захваченные песчинки кварца. В вязкой глине образуются красивые розы гипса или серного колчедана. Вырастают огромные желваки кремня, постепенно расталкивая стенки известняка. Отовсюду вследствие диффузии к этим образованиям притекают новые запасы кремневой кислоты. В широких масштабах идет рост этих образований и на дне океанов, в тех глубинах, где постепенно накапливаются морские осадки, и из полужидкой, илистой массы путем долгих и медленных химических процессов создается порода. Но образование конкреций продолжается и позднее, когда порода уже давно вышла из глубин океанов и сделалась частью материка.

На каждом шагу мы видим, как неуловимые количества частиц, разбросанных силой диффузии, вновь соединяются вместе под влиянием могущественных сил кристаллизации и при содействии все той же диффузии. Таким образом, вновь возрождается, хотя и в несколько иной форме, старая теория, которая говорила, что все скопления тяжелых элементов, запасы благородных металлов в рудных жилах образуются путем медленного выщелачивания их из окружающих пород.

Раньше господствовало убеждение, что явления диффузии в твердом веществе происходить не могут. Но ряд новых фактов опровергает это мнение. При больших давлениях идет перекристаллизация вещества, и в твердых минеральных агрегатах при температурах, еще весьма далеких от их плавления, могут иметь место сложнейшие химические процессы.

В настоящее время для нас совершенно ясно, что отдельные вещества пробивают себе дорогу сквозь твердые тела подобно тому, как капли ртути под давлением проходят через деревянную доску. Правда, пробиваются они очень медленно, но для геохимии, измеряющей возраст

Отложения бурого железняка и окислов марганца на "литографской" камне своих процессов тысячами и миллионами лет, самое понятие о медленности процесса теряет смысл.

Очевидно, что в течение огромных периодов геологической истории путем диффузии в газообразной, жидкой и твердой средах нашей планеты широко рассеиваются молекулы самых разнообразных элементов.

Диффузия растворов