Ce este difuzia?

Difuzia atomilor și moleculelor într-un anumit mediu, fie el un gaz, un lichid sau un solid, este un proces fizic prin care tinde să existe o deplasare a acestor particule în mediu dintr-un loc de concentrație mai mare în altul în care concentrația este mai mică, până când concentrația este aceeași pe tot mediul. Aceste variații spațiale ale concentrației într-un anumit mediu sunt numite gradienți de concentrație. Difuzia este asociată cu acești gradienți de concentrație și cu temperatura mediului.

Cum se generează difuzia?

Difuzia este generată de mișcarea atomilor și moleculelor asociate cu temperatura. Într-un gaz, temperatura este asociată cu energia cinetică a particulelor, energia cu care se mișcă atomii și moleculele gazului. Într-un solid, cum ar fi un cristal, temperatura este asociată cu energia cu care atomii și moleculele vibrează în acea structură cristalină.

Ideea de difuzie poate fi văzută clar într-un gaz. Mișcarea aleatorie în toate direcțiile atomilor și moleculelor dintr-un amestec de gaze, la viteze mari, generează amestecul acestora, producând un flux net de particule dintr-un loc de concentrație mai mare în altul de concentrație mai mică.

Figura următoare prezintă o schemă care ajută la înțelegerea conceptului de difuzie. În prima casetă sunt două gaze separate printr-un perete despărțitor: compartimentul este îndepărtat și aveți un mediu în care concentrația unuia dintre gaze este 0 pe cealaltă parte a locului în care a fost amplasat pereția. Mișcarea aleatorie a particulelor (linia roșie reprezintă mișcarea uneia dintre particulele gri) determină să existe o deplasare netă a particulelor gri spre zona particulelor negre și invers. În cele din urmă, în cadrul 3 concentrația ambelor particule este aceeași în mediul și nu se mai observă o deplasare netă a particulelor, în ciuda faptului că toate particulele continuă să se miște aleator.

Rata de difuzie, adică viteza cu care se observă un transfer net de particule dintr-un loc în altul în mediu, va fi mai mare cu cât temperatura este mai mare, adică cu atât energia care conduce acest fenomen fizic este mai mare. Și va crește, de asemenea, cu cât diferența de concentrație este mai mare. Viteza de difuzie depinde si de masa particulelor si, in cazul unui fluid, de vascozitatea acestuia, factori care se exprima, impreuna cu temperatura, in asa numitul coeficient de difuzie D . Acest fenomen fizic este exprimat prin cele două legi ale lui Fick.

Difuzia este un proces fizic care nu necesită un aport suplimentar de energie, deoarece este asociată cu energia termică pe care mediul o are deja, exprimată prin temperatură. Este un aspect fundamental al acestui mecanism fizic, deoarece difuzia face parte din multe procese naturale, cum ar fi difuzia substanțelor dizolvate, lichidelor și gazelor prin membranele celulare.

osmoză

Osmoza, sau osmoza, este difuzia printr-o membrană semipermeabilă: un despărțitor care are orificii foarte mici, de ordinul micrometrilor, care permit trecerea moleculelor să fie selectate în funcție de dimensiunea acestora. După cum arată figura următoare: moleculele albastre, cele ale apei, pot trece prin orificiile membranei, dar moleculele verzi, cele ale unui dizolvat precum zahărul, nu.

Prezența unui dizolvat care nu poate traversa membrana, adică moleculele de zahăr (verde), generează o tendință a moleculelor care o pot traversa, adică moleculele de apă (albastru), de a se deplasa în direcția membranei. .soluția, urmând săgeata roz, pentru a încerca să egalizeze concentrațiile de pe ambele părți ale membranei. În figură nu există solut în cuva din stânga, dar procesul este încă valabil atunci când există o soluție cu concentrații diferite pe ambele părți ale membranei. În acest caz vom avea o soluție hipotonă în cuvă cu o concentrație scăzută de dizolvat și o soluție hipertonă în cea cu o concentrație mare de dizolvat.

Această tendință a moleculelor de apă de a trece spre bazinul cu concentrație mai mare generează o presiune în această direcție, care se numește presiune osmotică. Cand trecerea moleculelor de apa reuseste sa egaleze concentratia in ambele cuve se obtin solutii izotonice; chiar și atunci când moleculele de apă continuă să treacă prin membrană, nu există o tendință clară în nicio direcție.

Dacă ambele soluții sunt plasate în tuburi deschise, așa cum se arată în figura următoare, vom vedea că ramura cu soluția de cea mai mare concentrație se va ridica față de cealaltă; aceasta se datorează presiunii osmotice din membrană.

Dacă într-un sistem ca cel descris schematic în figura precedentă, soluția cu cea mai mare concentrație este supusă unei presiuni care acționează împotriva presiunii osmotice, prin membrană se poate realiza un flux net de apă în direcția presiunii osmotice. .ramură mai puţin concentrată. Poate fi conceput ca un proces invers fata de osmoza, motiv pentru care se numeste osmoza inversa. Acest proces este utilizat în mecanismele de purificare a apei.

Câteva exemple de difuzie în procese naturale

Unul dintre procesele fundamentale ale vieții este respirația. Procesele asociate cu respirația includ difuzia gazelor, difuzia oxigenului în sânge și eliminarea dioxidului de carbon, care are loc și prin difuzie. În plămâni, dioxidul de carbon difuzează din sânge în aer, care este apoi expirat, proces care are loc în alveolele pulmonare. După îndepărtarea dioxidului de carbon, celulele roșii din sânge preiau oxigenul care difuzează din aer în sânge.

În celule, are loc schimbul invers: dioxidul de carbon și deșeurile din procesele celulare difuzează din celulele țesuturilor în sânge, în timp ce oxigenul, glucoza și alți nutrienți din sânge difuzează în țesuturi. Aceste procese de difuzie au loc în capilarele sistemului de circulație sanguină.

Mecanismele de difuzie asociate cu diferite procese sunt, de asemenea, observate în celulele și țesuturile plantelor. Fotosinteza care are loc în frunzele plantelor este asociată cu difuzia gazelor: dioxidul de carbon din aer și energia solară sunt transformate în glucoză și oxigen. Dioxidul de carbon difuzează din aer în frunze prin mici deschideri numite stomate. Iar oxigenul care este produs în fotosinteză difuzează din frunze în aer și prin stomată.

Difuzia moleculelor mari, cum ar fi glucoza, prin membranele celulare, are loc prin așa-numita difuzie facilitată. Aceste molecule trec prin membrane cu ajutorul proteinelor purtătoare, canale proteice înglobate în membranele celulare care reprezintă deschideri care permit trecerea doar moleculelor cu o anumită dimensiune și formă. Procesul de difuzie facilitată, de asemenea, nu necesită energie suplimentară, deci este considerat și transport pasiv, la fel ca și difuzia directă.

Mecanismele osmotice pot fi întâlnite în procesele de reabsorbție a apei în tubulii rinichilor și în reabsorbția fluidelor în capilarele tisulare. Încorporarea apei în rădăcinile plantelor este produsă prin osmoză, proces foarte important și pentru stabilitatea acesteia. Când plantele se ofilesc, se datorează lipsei de apă în vacuolele lor; Vacuolele țin structurile plantelor rigide prin antrenarea apei și prin exercitarea presiunii osmotice peste membranele celulare.

Surse

Bokshtein, BS Mendelev, MI Srolovitz, editori DJ. Termodinamică și cinetică în știința materialelor: un curs scurt . Termodinamică și cinetică în știința materialelor: un curs scurt. Oxford University Press, Oxford, 2005.

Philibert, J. Un secol și jumătate de difuzare: Fick, Einstein, before and after . Diffusion Fundamentals 2, 2005.