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Este artículo trata sobre la dispersión espontánea de masa. Para un tratamiento más genérico de la difusión, consulte Difusión .
Difusión desde un punto de vista microscópico y macroscópico. Inicialmente, hay moléculas de soluto en el lado izquierdo de una barrera (línea púrpura) y ninguna a la derecha. Se quita la barrera y el soluto se difunde para llenar todo el recipiente. Arriba: una sola molécula se mueve aleatoriamente. Medio: Con más moléculas, hay una clara tendencia a que el soluto llene el recipiente de forma cada vez más uniforme. Abajo: Con una enorme cantidad de moléculas de soluto, toda aleatoriedad desaparece: el soluto parece moverse suave y sistemáticamente desde áreas de alta concentración a áreas de baja concentración, siguiendo las leyes de Fick.

La difusión molecular , a menudo llamada simplemente difusión , es el movimiento térmico de todas las partículas (líquidas o gaseosas) a temperaturas superiores al cero absoluto . La velocidad de este movimiento es función de la temperatura, la viscosidad del fluido y el tamaño (masa) de las partículas. La difusión explica el flujo neto de moléculas desde una región de mayor concentración a una de menor concentración. Una vez que las concentraciones son iguales, las moléculas continúan moviéndose, pero como no hay gradiente de concentración, el proceso de difusión molecular ha cesado y, en cambio, está gobernado por el proceso de autodifusión., que se origina en el movimiento aleatorio de las moléculas. El resultado de la difusión es una mezcla gradual de material de manera que la distribución de moléculas es uniforme. Dado que las moléculas todavía están en movimiento, pero se ha establecido un equilibrio, el resultado final de la difusión molecular se denomina "equilibrio dinámico". En una fase con temperatura uniforme, sin fuerzas netas externas que actúen sobre las partículas, el proceso de difusión eventualmente resultará en una mezcla completa.

Considere dos sistemas; S 1 y S 2 a la misma temperatura y capaces de intercambiar partículas . Si hay un cambio en la energía potencial de un sistema; por ejemplo μ 1 > μ 2 (μ es el potencial químico ) se producirá un flujo de energía de S 1 a S 2 , porque la naturaleza siempre prefiere la baja energía y la máxima entropía .

La difusión molecular se describe típicamente matemáticamente utilizando las leyes de difusión de Fick .

Aplicaciones [ editar ]

La difusión es de fundamental importancia en muchas disciplinas de la física, la química y la biología. Algunos ejemplos de aplicaciones de difusión:

Importancia [ editar ]

Representación esquemática de la mezcla de dos sustancias por difusión.

La difusión forma parte de los fenómenos de transporte . De los mecanismos de transporte de masa, la difusión molecular se conoce como más lenta.

Biología [ editar ]

En biología celular , la difusión es una forma principal de transporte de materiales necesarios, como los aminoácidos, dentro de las células. [1] La difusión de disolventes, como el agua, a través de una membrana semipermeable se clasifica como ósmosis .

El metabolismo y la respiración dependen en parte de la difusión además de los procesos activos o en masa. Por ejemplo, en los alvéolos de los pulmones de los mamíferos , debido a las diferencias en las presiones parciales a través de la membrana alveolar-capilar, el oxígeno se difunde en la sangre y el dióxido de carbono se difunde hacia afuera. Los pulmones contienen una gran superficie para facilitar este proceso de intercambio de gases.

Trazador, auto-difusión y química [ editar ]

Autodifusión, ejemplificada con un marcador isotópico de isótopo radiactivo 22 Na
Ejemplo de difusión química (clásica, de Fick o Fickian) de cloruro de sodio en agua

Fundamentalmente, se distinguen dos tipos de difusión:

  • Difusión del trazador y autodifusión , que es una mezcla espontánea de moléculas que tiene lugar en ausencia de gradiente de concentración (o potencial químico). Este tipo de difusión se puede seguir utilizando trazadores isotópicos , de ahí el nombre. Por lo general, se asume que la difusión del trazador es idéntica a la autodifusión (asumiendo que no hay un efecto isotópico significativo ). Esta difusión puede tener lugar en equilibrio. Un excelente método para la medición de la auto-difusión coeficientes es pulsado gradiente de campo (PFG) RMN , donde no se necesitan trazadores isotópicos. En el llamado eco de espín de RMNExperimento esta técnica utiliza la fase de precesión de espín nuclear, lo que permite distinguir química y físicamente especies completamente idénticas, por ejemplo, en la fase líquida, como por ejemplo moléculas de agua dentro de agua líquida. El coeficiente de autodifusión del agua se ha determinado experimentalmente con gran precisión y, por lo tanto, a menudo sirve como valor de referencia para mediciones en otros líquidos. El coeficiente de autodifusión del agua pura es: 2.299 · 10 −9  m² · s −1 a 25 ° C y 1.261 · 10 −9  m² · s −1 a 4 ° C. [2]
  • La difusión química ocurre en presencia de un gradiente de concentración (o potencial químico) y da como resultado un transporte neto de masa. Este es el proceso descrito por la ecuación de difusión. Esta difusión es siempre un proceso de no equilibrio, aumenta la entropía del sistema y acerca el sistema al equilibrio.

Los coeficientes de difusión para estos dos tipos de difusión son generalmente diferentes porque el coeficiente de difusión para la difusión química es binario e incluye los efectos debidos a la correlación del movimiento de las diferentes especies difusoras.

Sistema de no equilibrio [ editar ]

Ilustración de baja entropía (arriba) y alta entropía (abajo)

Debido a que la difusión química es un proceso de transporte neto, el sistema en el que tiene lugar no es un sistema de equilibrio (es decir, aún no está en reposo). Muchos resultados de la termodinámica clásica no se aplican fácilmente a sistemas que no están en equilibrio. Sin embargo, a veces ocurren los llamados estados cuasi-estacionarios, donde el proceso de difusión no cambia en el tiempo, donde los resultados clásicos pueden aplicarse localmente. Como sugiere el nombre, este proceso no es un verdadero equilibrio ya que el sistema aún está evolucionando.

Los sistemas de fluidos que no están en equilibrio se pueden modelar con éxito con la hidrodinámica fluctuante de Landau-Lifshitz. En este marco teórico, la difusión se debe a fluctuaciones cuyas dimensiones van desde la escala molecular hasta la escala macroscópica. [3]

La difusión química aumenta la entropía de un sistema, es decir, la difusión es un proceso espontáneo e irreversible. Las partículas pueden extenderse por difusión, pero no se reordenarán espontáneamente (ausencia de cambios en el sistema, asumiendo que no se crean nuevos enlaces químicos y ausencia de fuerzas externas que actúen sobre la partícula).

Difusión "colectiva" dependiente de la concentración [ editar ]

La difusión colectiva es la difusión de una gran cantidad de partículas, con mayor frecuencia dentro de un disolvente .

Contrariamente al movimiento browniano , que es la difusión de una sola partícula, es posible que deban considerarse las interacciones entre las partículas, a menos que las partículas formen una mezcla ideal con su disolvente (las condiciones ideales de mezcla corresponden al caso en el que las interacciones entre el disolvente y las partículas son idénticas a las interacciones entre partículas y las interacciones entre moléculas de solvente; en este caso, las partículas no interactúan cuando están dentro del solvente).

En el caso de una mezcla ideal, la ecuación de difusión de partículas es verdadera y el coeficiente de difusión D la velocidad de difusión en la ecuación de difusión de partículas es independiente de la concentración de partículas. En otros casos, las interacciones resultantes entre las partículas dentro del solvente darán cuenta de los siguientes efectos:

  • el coeficiente de difusión D en la ecuación de difusión de partículas se vuelve dependiente de la concentración. Para una interacción atractiva entre partículas, el coeficiente de difusión tiende a disminuir a medida que aumenta la concentración. Para una interacción repulsiva entre partículas, el coeficiente de difusión tiende a aumentar a medida que aumenta la concentración.
  • En el caso de una interacción atractiva entre partículas, las partículas muestran una tendencia a fusionarse y formar grupos si su concentración se encuentra por encima de un cierto umbral. Esto es equivalente a una reacción química de precipitación (y si las partículas en difusión consideradas son moléculas químicas en solución, entonces es una precipitación ).

Difusión molecular de gases [ editar ]

El transporte de material en un fluido estancado o a través de las líneas de corriente de un fluido en un flujo laminar se produce por difusión molecular. Pueden contemplarse dos compartimentos adyacentes separados por un tabique que contengan gases puros A o B. El movimiento aleatorio de todas las moléculas ocurre de modo que después de un período las moléculas se encuentran alejadas de sus posiciones originales. Si se elimina la partición, algunas moléculas de A se mueven hacia la región ocupada por B, su número depende del número de moléculas en la región considerada. Al mismo tiempo, las moléculas de B se difunden hacia regímenes anteriormente ocupados por A. puro. Finalmente, se produce una mezcla completa. Antes de este punto en el tiempo, se produce una variación gradual en la concentración de A a lo largo de un eje, designado x, que une los compartimentos originales. Esta variación, expresada matemáticamente como -dC A/ dx, donde C A es la concentración de A. El signo negativo surge porque la concentración de A disminuye a medida que aumenta la distancia x. De manera similar, la variación en la concentración de gas B es -dC B / dx. La tasa de difusión de A, N A , depende del gradiente de concentración y de la velocidad promedio con la que las moléculas de A se mueven en la dirección x. Esta relación está expresada por la ley de Fick.

(solo aplicable para movimiento sin volumen)

donde D es la Difusividad de A a B, proporcional a la velocidad molecular promedio y, por lo tanto, depende de la temperatura y presión de los gases. La tasa de difusión N A , generalmente se expresa como el número de moles que se difunden a través de la unidad de área en unidad de tiempo. Al igual que con la ecuación básica de transferencia de calor, esto indica que la tasa de fuerza es directamente proporcional a la fuerza impulsora, que es el gradiente de concentración.

Esta ecuación básica se aplica a varias situaciones. Restringiendo la discusión exclusivamente a las condiciones de estado estacionario, en las que ni dC A / dx ni dC B / dx cambian con el tiempo, la contradifusión equimolecular se considera en primer lugar.

Contradifusión equimolecular [ editar ]

Si no se produce un flujo masivo en un elemento de longitud dx, las velocidades de difusión de dos gases ideales (de volumen molar similar) A y B deben ser iguales y opuestas, es decir .

La presión parcial de A cambia en dP A sobre la distancia dx. Del mismo modo, la presión parcial de B cambia dP B . Como no hay diferencia en la presión total a través del elemento (sin flujo a granel), tenemos

.

Para un gas ideal, la presión parcial está relacionada con la concentración molar por la relación

donde n A es el número de moles de gas A en un volumen V . Como la concentración molar C A es igual an A / V, por lo tanto

En consecuencia, para el gas A,

donde D AB es la difusividad de A en B. De manera similar,

Considerando que dP A / dx = -dP B / dx, se prueba por tanto que D AB = D BA = D. Si la presión parcial de A en x 1 es P A 1 y x 2 es P A 2 , integración de la ecuación anterior,

Se puede derivar una ecuación similar para la contradifusión del gas B.

Ver también [ editar ]

  • Difusión  : movimiento de moléculas, átomos o iones desde una región de alta concentración a una región de baja concentración.
  • Difusión ambipolar
  • Difusión anómala  : proceso de difusión con una relación no lineal con el tiempo.
  • Escala de batchelor
  • Difusión de Bohm
  • MRI de difusión  : método de utilización del agua en la formación de imágenes por resonancia magnética
  • Convección difusiva doble
  • Arrastre (física)  : fuerza de retardo en un cuerpo que se mueve en un fluido
  • Leyes de difusión de Fick  : descripciones matemáticas de la difusión molecular
  • Hora local (matemáticas)
  • Transferencia de masa
  • Flujo de masa
  • Ósmosis  - proceso químico
  • Permeabilidad  : la penetración de un líquido, gas o vapor a través de un sólido.
  • Conducción de calor relativista  : el modelado de la conducción de calor y procesos de difusión similares de una manera compatible con la relatividad especial.
  • Fenómenos de transporte  : intercambio de masa, energía y momento entre los sistemas observados y estudiados
  • Difusión turbulenta
  • Viscosidad  : resistencia de un fluido a la deformación por cizallamiento
  • Rotor rígido

Referencias [ editar ]

  1. ^ Maton, Anthea; Jean Hopkins; Susan Johnson; David LaHart; Maryanna Quon Warner; Jill D. Wright (1997). Células Bloques de construcción de la vida . Upper Saddle River, Nueva Jersey: Prentice Hall. págs.  66–67 .
  2. ^ Holz, Manfred; Heil, Stefan R .; Sacco, Antonio (2000). "Coeficientes de autodifusión dependientes de la temperatura del agua y seis líquidos moleculares seleccionados para la calibración en mediciones precisas de 1H NMR PFG". Física Química Física Química . Real Sociedad de Química (RSC). 2 (20): 4740–4742. doi : 10.1039 / b005319h . ISSN 1463-9076 . 
  3. ^ Brogioli, Doriano; Vailati, Alberto (22 de diciembre de 2000). "Transferencia de masa difusiva por fluctuaciones de desequilibrio: ley de Fick revisada". Revisión E física . Sociedad Estadounidense de Física (APS). 63 (1): 012105. arXiv : cond-mat / 0006163 . doi : 10.1103 / physreve.63.012105 . ISSN 1063-651X . 

Enlaces externos [ editar ]

  • Algunas imágenes que muestran difusión y ósmosis.
  • Una animación que describe la difusión.
  • Un tutorial sobre la teoría subyacente y la solución de la ecuación de difusión.
  • Modelo de simulación de NetLogo para uso educativo (subprograma Java)
  • Película corta sobre movimiento browniano (incluye cálculo del coeficiente de difusión)
  • Una introducción básica a la teoría clásica de la difusión de volumen (con figuras y animaciones)
  • Difusión a nanoescala (con figuras y animaciones)