miniatura|260x260px|Difusió des d'un punt de vista microscòpic i macroscòpic. Inicialment, hi ha molècules de solut al costat esquerre d'una barrera (línia lila) i cap a la dreta. Es retira la barrera i el solut es difon fins a omplir tot el recipient. Una sola molècula es mou aleatòriament. Amb més molècules, hi ha una clara tendència on el solut omple el recipient de manera cada cop més uniforme. Amb un nombre enorme de molècules de solut, tota l'aleatorietat ha desaparegut: el solut sembla moure's suaument i sistemàticament des de les zones d'alta concentració fins a les zones de baixa concentració, seguint les lleis de Fick. La difusió (molecular) és el moviment d'àtoms, molècules o altres partícules d'un gas o líquid a temperatures superiors al zero absolut. La velocitat d'aquest moviment és funció de la temperatura, la viscositat del fluid, la mida i la densitat (o el seu producte, la massa) de les partícules. Aquest tipus de difusió explica el flux net de molècules des d'una regió de més concentració a una de més baixa.
Un cop les concentracions són iguals, les molècules continuen movent-se, però com que no hi ha gradient de concentració, el procés de difusió molecular ha cessat i, en canvi, es regeix pel procés d'autodifusió, originat pel moviment aleatori de les molècules. El resultat de la difusió és una barreja gradual de material de manera que la distribució de molècules és uniforme. Com que les molècules encara estan en moviment, però s'ha establert un equilibri, el resultat de la difusió molecular s'anomena "equilibri dinàmic". En una fase amb temperatura uniforme, sense forces netes externes que actuïn sobre les partícules, el procés de difusió finalment donarà lloc a una barreja completa.
Considereu dos sistemes; S1 i S2 a la mateixa temperatura i capaços d'intercanviar partícules. Si hi ha un canvi en l'energia potencial d'un sistema; per exemple μ1 > μ2 (μ és el potencial químic), es produirà un flux d'energia de S1 a S2, perquè la natura sempre prefereix baixa energia i màxima entropia.
La difusió molecular es descriu normalment matemàticament utilitzant les lleis de difusió de Fick.
Aplicacions La difusió és de fonamental importància en moltes disciplines de la física, la química i la biologia. Alguns exemples d'aplicacions de la difusió:
Sinterització per produir materials sòlids (metal·lúrgia en pols, producció de ceràmica) Disseny de reactors químics Disseny de catalitzadors en la indústria química L'acer es pot difondre (per exemple, amb carboni o nitrogen) per modificar-ne les propietats. Dopatge durant la producció de semiconductors.
Importància miniatura|280x280px|Representació esquemàtica de la barreja de dues substàncies per difusió La difusió forma part dels fenòmens de transport. Dels mecanismes de transport de masses, la difusió molecular es coneix com un de més lent.
Biologia En biologia cel·lular, la difusió és una forma principal de transport de materials necessaris com els aminoàcids dins de les cèl·lules. La difusió de dissolvents, com l'aigua, a través d'una membrana semipermeable es classifica com a osmosi.
El metabolisme i la respiració depenen en part de la difusió, a més dels processos actius o a granel. Per exemple, als alvèols dels pulmons dels mamífers, a causa de les diferències en les pressions parcials a través de la membrana alveolo-capil·lar, l'oxigen es difon a la sang i el diòxid de carboni es difon a l'exterior. Els pulmons tenen una gran superfície per facilitar aquest procés d'intercanvi de gasos.miniatura|340x340px|Autodifusió, exemplificada amb un traçador isotòpic de l'isòtop radioactiu 22 Na Traçador, autodifusió i difusió química Fonamentalment, es distingeixen dos tipus de difusió
Difusió de traçadors i autodifusió, que és una barreja espontània de molècules que té lloc en absència de gradient de concentració (o potencial químic). Aquest tipus de difusió es pot seguir mitjançant traçadors isotòpics, d'aquí el nom. Normalment se suposa que la difusió del traçador és idèntica a l'autodifusió (suposant que no hi ha cap efecte isotòpic significatiu). Aquesta difusió pot tenir lloc en equilibri. Un mètode excel·lent per a la mesura dels coeficients d'autodifusió és la RMN de gradient de camp pulsat (PFG), on no es necessiten traçadors isotòpics. En un experiment anomenat eco d'espín de RMN, aquesta tècnica utilitza la fase de precessió d'espín nuclear, permetent distingir espècies químicament i físicament completament idèntiques, p. ex., en la fase líquida, com ara molècules d'aigua dins de l'aigua líquida. El coeficient d'autodifusió de l'aigua s'ha determinat experimentalment amb alta precisió i, per tant, serveix sovint com a valor de referència per a mesures en altres líquids. El coeficient d'autodifusió de l'aigua pura és: 2.299·10−9m² ·s−1 a 25°C i 1.261·10−9 m² ·s−1 a 4°C. La difusió química es produeix en presència d'un gradient de concentració (o potencial químic) i resulta en un transport net de massa. Aquest és el procés descrit per l'equació de difusió. Aquesta difusió és sempre un procés de no equilibri, augmenta l'entropia del sistema i l'acosta a l'equilibri.
miniatura|340x340px|Exemple de difusió química (clàssica, de Fick o de Fick) del clorur de sodi en aiguaEls coeficients de difusió per a aquests dos tipus de difusió són generalment diferents perquè el coeficient de difusió per a la difusió química és binari i inclou els efectes deguts a la correlació del moviment de les diferents espècies difusores.
Sistema de no equilibri miniatura|280x280px|Il·lustració de baixa entropia (a dalt) i alta entropia (a baix) Com que la difusió química és un procés de transport net, el sistema en què té lloc no és un sistema d'equilibri (és a dir, encara no està en repòs). Molts resultats de la termodinàmica clàssica no s'apliquen fàcilment a sistemes que no estan en equilibri. Tanmateix, de vegades es produeixen els anomenats estats quasi estacionaris, on el procés de difusió no canvia en el temps, on els resultats clàssics es poden aplicar localment. Com el seu nom indica, aquest procés no és un veritable equilibri, ja que el sistema encara està en evolució.
Els sistemes de fluids fora de l'equilibri es poden modelar amb èxit amb la hidrodinàmica fluctuant de Landau-Lifshitz. En aquest marc teòric, la difusió es deu a fluctuacions les dimensions de les quals van des de l'escala molecular fins a l'escala macroscòpica.
La difusió química augmenta l'entropia d'un sistema, és a dir, la difusió és un procés espontani i irreversible. Les partícules es poden dispersar per difusió, però no es reordenaran espontàniament (en absència de canvis al sistema, assumint que no es creen nous enllaços químics i en absència de forces externes que actuïn sobre la partícula).
Difusió "col·lectiva" dependent de la concentració La difusió col·lectiva és la difusió d'un gran nombre de partícules, sovint dins d'un dissolvent.
Contràriament al moviment brownià, que és la difusió d'una sola partícula, cal tenir en compte les interaccions entre partícules, tret que les partícules formin una barreja ideal amb el seu dissolvent (les condicions de barreja ideals corresponen al cas en què les interaccions entre el dissolvent i les partícules són idèntiques a les interaccions entre les partícules i les interaccions entre les molècules del dissolvent; en aquest cas, les partícules no interactuen quan són dins del dissolvent).
En el cas d'una barreja ideal, l'equació de difusió de partícules es compleix i el coeficient de difusió D, la velocitat de difusió en l'equació de difusió de partícules, és independent de la concentració de partícules. En altres casos, les interaccions resultants entre les partícules dins del dissolvent explicaran els efectes següents:
El coeficient de difusió D en l'equació de difusió de partícules depèn de la concentració. Per a una interacció atractiva entre partícules, el coeficient de difusió tendeix a disminuir a mesura que augmenta la concentració. En una interacció repulsiva entre partícules, el coeficient de difusió tendeix a augmentar a mesura que augmenta la concentració. En el cas d'una interacció atractiva entre partícules, les partícules presenten una tendència a coalescer-se i formar cúmuls si la seva concentració es troba per sobre d'un cert llindar. Això és equivalent a una reacció química de precipitació (i si les partícules difusores considerades són molècules químiques en solució, aleshores és una precipitació).
Difusió molecular de gasos El transport de material en fluids estancats o a través de les línies de corrent d'un fluid en un flux laminar es produeix per difusió molecular. Es poden preveure dos compartiments adjacents separats per una partició, que continguin els gasos purs A o B. Es produeix un moviment aleatori de totes les molècules, de manera que després d'un període les molècules es troben allunyades de les seves posicions originals. Si s'elimina la partició, algunes molècules d'A es mouen cap a la regió ocupada per B, el seu nombre depèn del nombre de molècules a la regió considerada. Simultàniament, les molècules de B es difonen cap a règims anteriorment ocupats per A pur. Finalment, es produeix una barreja completa. Abans d'aquest punt en el temps, es produeix una variació gradual de la concentració d'A al llarg d'un eix, designat com a x, que uneix els compartiments originals. Aquesta variació, expressada matemàticament com a −dCA/dx, on CA és la concentració d'A. El signe negatiu sorgeix perquè la concentració d'A disminueix a mesura que augmenta la distància x. De la mateixa manera, la variació en la concentració del gas B és −dCB/dx. La velocitat de difusió d'A i NA depèn del gradient de concentració i de la velocitat mitjana amb què les molècules d'A es mouen en la direcció x. Aquesta relació s'expressa mitjançant la llei de Fick
(només aplicable per a moviment sense massa)
on D és la difusivitat de A a B, proporcional a la velocitat molecular mitjana i, per tant, dependent de la temperatura i la pressió dels gasos. La velocitat de difusió NA s'expressa normalment com el nombre de mols que es difonen a través de la unitat de superfície en la unitat de temps. Igual que amb l'equació bàsica de la transferència de calor, això indica que la taxa de força és directament proporcional a la força motriu, que és el gradient de concentració.
Aquesta equació bàsica s'aplica a diverses situacions. Restringint la discussió exclusivament a condicions d'estat estacionari, en què ni dC A /dx ni dC B /dx canvien amb el temps, es considera primer la contradifusió equimolecular.
Contradifusió equimolecular Si no es produeix cap flux massiu en un element de longitud dx, les taxes de difusió de dos gasos ideals (de volum molar similar) A i B han de ser iguals i oposades, és a dir,
La pressió parcial de A canvia en dPA al llarg de la distància dx. De la mateixa manera, la pressió parcial de B canvia dPB. Com que no hi ha cap diferència en la pressió total a través de l'element (no hi ha flux a granel), tenim
Per a un gas ideal, la pressió parcial està relacionada amb la concentració molar mitjançant la relació
on nA és el nombre de mols de gas A en un volum V. Com que la concentració molar CA és igual a nA/V, per tant
En conseqüència, per al gas A,
on D AB és la difusivitat d'A en B. De la mateixa manera,
Considerant que dP A /dx = −dP B /dx, es demostra que D AB = D BA = D. Si la pressió parcial d'A a x 1 és P A 1 i x 2 és P A 2, la integració de l'equació anterior,
Es pot derivar una equació similar per a la contradifusió del gas B.
Referències
Categoria:Molècules Categoria:Física o química