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La diffusione è un processo di trasporto di materia in cui vi è un movimento netto di particelle da un’area in cui sono in maggiore concentrazione ad un’altra in cui sono in minore concentrazione . In poche parole, la diffusione è il movimento di sostanze guidato da differenze di concentrazione.
La diffusione è nota da centinaia di anni. Lo sperimentiamo nell’aria quando sentiamo l’odore del pane appena sfornato proveniente da un panificio, quando percepiamo l’aroma del caffè proveniente dalla cucina anche se siamo in un’altra stanza a diversi metri di distanza, o quando sentiamo l’odore dell’incenso ogni volta che ci passiamo vicino un tempio.
L’esperienza ci dice che questo è un processo passivo e spontaneo. In primo luogo perché non richiede alcun apporto di energia e in secondo luogo perché accade, che lo si voglia o no, ogni volta che c’è una differenza di concentrazione tra due luoghi dello spazio.
Fattori che influenzano la diffusione
Il processo di diffusione dipende da diverse variabili legate sia al mezzo in cui le particelle si stanno diffondendo sia alle caratteristiche delle particelle stesse.
Concentrazione
Abbiamo già accennato al fatto che il fattore determinante affinché avvenga la diffusione è che esiste un gradiente di concentrazione, cioè deve esserci una differenza nella concentrazione delle particelle in due punti nello spazio affinché le particelle si diffondano dall’una all’altra.
Il gradiente di concentrazione è espresso come il quoziente tra la differenza delle concentrazioni di una sostanza in due punti nello spazio (o nel mezzo) e la distanza tra i due punti. Matematicamente questo è scritto come
Ciò che conta non è la concentrazione in sé, ma che ci sia una differenza nelle concentrazioni. Se due punti nello spazio hanno concentrazioni molto elevate ma sono entrambi uguali, allora non ci sarà diffusione tra i due punti.
Temperatura
La diffusione avviene a causa di movimenti casuali in tutte le direzioni delle particelle che compongono la materia. Questo movimento, chiamato movimento browniano, in onore del botanico del XIX secolo che lo scoprì, Robert Brown, nasce dalle collisioni tra le particelle che compongono la materia che sono sotto costante agitazione termica.
Poiché l’agitazione termica aumenta con la temperatura, i processi di diffusione diventano più veloci a temperature più elevate.
Il mezzo in cui viene diffuso
Anche se potrebbe non sembrare così, la diffusione può avvenire in qualsiasi tipo di materia inclusi gas, liquidi e anche solidi. Tuttavia, il processo non è lo stesso in ogni mezzo.
Ad esempio, l’aroma del caffè si diffonde molto bene nell’aria, ma non attraverso il metallo. Prova ne è il fatto che un thermos sigillato pieno di caffè non sprigiona un aroma di caffè fino al momento in cui viene scoperto. Tuttavia, con un tempo sufficiente, le particelle aromatiche del caffè finiranno per diffondersi attraverso il metallo, poiché nessun materiale è perfettamente impermeabile.
La massa delle particelle
La massa delle particelle ha un effetto diretto sulla velocità con cui possono diffondersi. Le particelle più pesanti tendono a muoversi più lentamente delle particelle più leggere a una data temperatura. Per questo motivo, più una particella è pesante, più lentamente si diffonderà.
La forma e la dimensione delle particelle
Oltre a dipendere dalla massa, la forma di una particella influisce notevolmente sulla sua capacità di diffondersi in diversi mezzi. Più piccola e sferica è una particella, migliore è la sua capacità di diffondersi attraverso diversi mezzi.
equazioni di diffusione
Il processo di diffusione è principalmente caratterizzato dalla legge di Graham e dalle leggi di Fick.
Legge di Graham
La legge di Graham afferma che quando due gas si diffondono l’uno nell’altro, la velocità di diffusione è inversamente proporzionale al quadrato della loro densità. Ora sappiamo che la densità di un gas è proporzionale alla sua massa molare, il che ci permette di enunciare la legge di Graham in termini di massa molare del gas. In forma matematica, la legge di Graham afferma che, per due gas, A e B, il rapporto tra le loro velocità di diffusione è dato da:
dove v A e v B rappresentano le velocità di diffusione medie di ciascun gas e M A e M B sono le rispettive masse molari.
Le leggi di Fick
Le leggi di Fick sono le espressioni matematiche che governano i processi di diffusione. La sua soluzione consente di quantificare la velocità di diffusione di una sostanza attraverso un mezzo e anche di determinare come varia la concentrazione di particelle in un dato punto in funzione del tempo.
La prima legge di Fick
La forma più semplice della prima legge di Fick è data da:
dove J rappresenta il numero di particelle che passano per unità di area e per unità di tempo in un dato punto, D è una costante di proporzionalità chiamata coefficiente di diffusione, φ rappresenta la concentrazione e x la posizione.
Il quoziente dφ/dx rappresenta il gradiente di concentrazione in un’unica dimensione (equivalente a quella che abbiamo definito all’inizio dell’articolo), quindi la 1a legge di Fick esprime effettivamente che la diffusione è direttamente proporzionale al gradiente di concentrazione. Inoltre, indica anche che lo spostamento avviene da una concentrazione maggiore a una minore (da qui il segno meno nell’equazione) e che la costante di proporzionalità è il coefficiente di diffusione.
La seconda legge di Fick
La seconda legge di Fick è data da:
Il membro sinistro rappresenta il tasso di variazione della concentrazione nel tempo in un dato punto nello spazio, quindi questa legge ci consente di determinare come la concentrazione di una sostanza cambia nel tempo a causa della diffusione. Possiamo vedere che, se non c’è gradiente di diffusione, allora il lato destro dell’equazione è zero (0) quindi anche il tasso di variazione della concentrazione sarà zero e, quindi, la concentrazione non cambia nel tempo ( rimane costante).
Esempi di diffusione
Diffusione attraverso la membrana cellulare
Il processo mediante il quale una sostanza liposolubile come l’anidride carbonica attraversa la membrana cellulare è un semplice processo di diffusione governato dalle leggi di Fick. In questo caso, la diffusione dipende da quanto è liposolubile il soluto, dalle concentrazioni del soluto all’interno e all’esterno della cellula, dallo spessore della membrana e da altre variabili.
Diffusione di un profumo in un ambiente chiuso
Tutti abbiamo visto ad un certo punto qualcuno che mette il profumo su un lato della stanza e, dopo un po’, l’odore del profumo arriva alle nostre narici. Ciò avviene grazie alla diffusione di particelle aromatiche attraverso l’aria.
Diffusione dell’inchiostro sul tessuto di una camicia
Uno sfortunato esempio di diffusione attraverso un materiale solido è quello che accade quando una goccia di inchiostro cade su un panno. Dopo un po’, la goccia si diffonde attraverso il materiale per diffusione.
Una goccia di colorante in un bicchiere d’acqua
Questo è il classico esempio del processo di diffusione in un mezzo liquido poiché è molto facile da osservare. Se una piccola goccia di colorante alimentare viene posta con cura in un bicchiere pieno d’acqua, possiamo prima osservare come la goccia cade sul fondo, generando piccoli arabeschi colorati ai lati. Questa non è diffusione ma miscelazione meccanica.
Tuttavia, dopo un certo tempo la goccia rimarrà ferma dopo che tutte le correnti di liquido si saranno dissipate. Da quel momento in poi si può notare la comparsa di una specie di alone diffuso intorno dove il colore è più intenso, e con il passare del tempo quell’alone diventa sempre più grande, ma si affievolisce sempre, sembra più scuro verso l’inizio e completamente trasparente verso la fine. Questo è il segno del processo di diffusione. È un processo lento e va sempre da dove le sostanze sono più concentrate a dove sono meno concentrate.
Dopo un lungo periodo di tempo, senza bisogno di agitare il bicchiere, noteremo che il colore diventa più uniforme. Questo perché la diffusione ha lentamente omogeneizzato la soluzione.
Riferimenti
Macneill, H., Battaglia, G., Carpi, A. (nd). Diffusione: un’introduzione. Estratto da https://www.visionlearning.com/es/library/Qu%C3%ADmica/1/Difusi%C3%B3n/216
Diffusione. Legge di Fick (nd) Estratto da http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/transporte/difusion/difusion.htm
Sanboh Lee, HY Lee, IF Lee, CY Teeng (2004). Diffusione dell’inchiostro in acqua . Eur. J. Phys.25.331-336. Estratto da http://mitgcm.org/~edhill/Tracer_work/papers/ejp4_2_020.pdf
