Diffusiekinetiek

Diffusiekinetiek is het deel van de fysische chemie en materiaalwetenschap dat de snelheid en mechanismen van diffusie beschrijft. Diffusie is de verplaatsing van moleculen of ionen door een medium als gevolg van een concentratiegradiënt, wat uiteindelijk leidt tot homogenisering van de samenstelling.

Om diffusie kwantitatief te beschrijven worden meestal Fick’s wetten toegepast. De eerste wet geeft de moleculaire flux aan als J = -D ∂C/∂x, waarbij J de hoeveelheid stof per oppervlakte-eenheid en tijd is, C de concentratie en D de diffusiecoëfficiënt. De tweede wet, ∂C/∂t = D ∂^2C/∂x^2, beschrijft hoe de concentratie in de tijd verandert in een medium met constante D, zonder bronnen of sinks. D is een materiaal- en omgevingseigenschap en bepaalt hoe snel een stof diffundeert.

De diffusiecoëfficiënt hangt af van verschillende factoren. Bij hogere temperatuur nemen moleculaire bewegingen toe en D neemt meestal toe; een stroperig of veelvoudig media verlaagt D. Grotere moleculen diffunderen doorgaans langzamer dan kleinere. In voorbehouden media zoals poriën of membranen speelt ook structuur, binding en hindering (tortuosity) een rol. In loze gassen is D doorgaans groter dan in vloeistoffen.

Diffusiekinetiek kent zowel eenvoudige als complexe regimes. In biologische systemen vindt diffusie vaak plaats als passieve diffusie of via transporters; in materialenkunde en chemische technologie speelt diffusie een belangrijke rol bij gassen in vaste stoffen, polymeren, katalyse en afgifte van geneesmiddelen. Niet alle diffusie volgt strikt de Fick-regels, vooral in geconcentreerde oplossingen of niet-uniforme media kunnen afwijkingen optreden.