Difusión En Estado Sólido

Difusión en estado sólido
Sabemos que los materiales están formados por átomos. Se ha modelado el
agrupamiento de los átomos como un conjunto de esferas sólidas ordenadas
siguiendo un patrón definido. A nuestro modelo de la estructura cristalina
solamente le falta añadir el hecho que los átomos que forman al material no están
estáticos, sino que vibran y pueden desplazarse en la estructuradel material.

En la figura de arriba se muestran 6 átomos ordenados en una estructura cristalina
hipotética en un material. Cada átomo ocupa un punto de red definido por la celda
unitaria correspondiente. Los átomos están unidos por enlaces químicos, y la
distancia entre los átomos es la necesaria para que la energía total de los mismos
sea la menor posible. Las posiciones de equilibrio deestos átomos pueden
ilustrarse de la siguiente manera:

Esquema que ilustra las posiciones de equilibrio
de los átomos

Los puntos de red serían equivalentes a depósitos donde se colocan los átomos
(esferas). El átomo está en equilibrio cuando se ubica en el fondo del depósito, ya
que en este punto su energía potencial gravitatoria es la menor posible. La
analogía es similar a colocarhuevos en un cartón apropiado. Los depósitos del
cartón representarían a los puntos de red y los huevos representarían a los
átomos del material.
En un material, los átomos vibran alrededor de su posición de equilibrio. En
nuestra analogía de los depósitos, esto es equivalente a agitar el depósito con los
átomos. Estos comenzarán a oscilar hacia arriba y abajo en su respectivo
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depósito,desplazándose una distancia prácticamente igual en ambas direcciones
de su posición de equilibrio. Para poder oscilar, los átomos necesitan tener
energía. En los materiales la energía requerida para causar la oscilación es
proporcional a la temperatura absoluta del material. Cuando la temperatura es 0
K, no existe ninguna vibración y por tanto los átomos están en reposo en su
posición deequilibrio. A medida la temperatura aumenta, la vibración de los
átomos aumenta. La temperatura de un material es entonces un reflejo de la
energía vibratoria promedio que poseen sus átomos. Algunos átomos pueden
llegar a vibrar más violentamente que otros, dando lugar a temperaturas no
uniformes en partes localizadas del material.
Cuando en un material existen vacancias y además ocurre que algunode los
átomos en las cercanías de la vacancia vibra más que el resto, puede suceder que
el átomo se mueva al punto de red vacante.

Un átomo en las cercanías
de una vacancia puede
“saltar” hacia la vacancia

En nuestro modelo de depósitos y esferas, esto es equivalente a que una de las
esferas del depósito se mueva bruscamente y se pase al depósito contiguo. A
este movimiento de losátomos en la estructura del material se le llama difusión.
La difusión depende de la vibración de los átomos alrededor de su posición de
equilibrio. Como esa vibración depende de la temperatura del material, se
concluye que la difusión es controlada por la temperatura.
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El movimiento (salto) de los átomos en un material puede describirse por medio de
la ecuación de Arhenius:
Q
Razón demovimiento ( saltos / seg ) = C 0 exp(−
)
RT
donde:
C0 = Constante que depende de la naturaleza de los átomos que se mueven.
R = Constante universal de los gases. (1.987 cal/mol K)
Q = Energía de activación (cal/mol). Los átomos tienen guardada cierta cantidad
de energía, la cual los mantiene oscilando alrededor de su posición de equilibrio.
Cuando los átomos intentan moverse, se topan conuna barrera energética que
intenta obligarlos a quedarse en su posición de equilibrio. La energía de
activación es la energía que el átomo necesita recibir para vencer esa barrera y
dejar su posición inicial para llegar hasta la posición final, la cual puede ser una
vacancia cercana o un sitio intersticial.
T = Temperatura absoluta (K).
La difusión puede ser de dos tipos:
1. Difusión por...