Difusión molecular

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 otra 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, se rige 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 las moléculas es uniforme. Dado que las moléculas todavía están en movimiento, pero se ha establecido un equilibrio, el resultado de la difusión molecular se denomina "equilibrio dinámico".. En una fase con temperatura uniforme, en ausencia de 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 potencial químico) ocurrirá un flujo de energía de S ₁ a S ₂, porque la naturaleza siempre prefiere baja energía y máxima entropía.

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

Aplicaciones

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

• Sinterización para producir materiales sólidos (metalurgia de polvos, producción de cerámica)
• Diseño de reactores químicos
• Diseño de catalizadores en la industria química.
• El acero se puede difundir (por ejemplo, con carbono o nitrógeno) para modificar sus propiedades.
• Dopaje durante la producción de semiconductores.

Significado

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

Biología

En biología celular, la difusión es una forma principal de transporte de materiales necesarios, como los aminoácidos, dentro de las células. 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 masivos o activos. Por ejemplo, en los alvéolos de los pulmones de los mamíferos, debido a las diferencias en las presiones parciales a través de la membrana alvéolo-capilar, el oxígeno se difunde hacia 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, difusión propia y química

Fundamentalmente, se distinguen dos tipos de difusión:

• Difusión de 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 supone que la difusión del trazador es idéntica a la autodifusión (suponiendo que no haya un efecto isotópico significativo). Esta difusión puede tener lugar en equilibrio. Un método excelente para medir los coeficientes de autodifusión es la RMN de gradiente de campo pulsado (PFG), en la que no se necesitan trazadores isotópicos. En un llamado experimento de eco de espín RMN, esta técnica utiliza la fase de precesión de espín nuclear, lo que permite distinguir especies química y físicamente 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, sirve a menudo como valor de referencia para mediciones en otros líquidos. El coeficiente de autodifusión del agua pura es: 2.299·10 m ·s a 25 °C y 1.261·10 m ·s a 4 °C.
• 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

Dado que la difusión química es un proceso de transporte neto, el sistema en el que tiene lugar no es un sistema en 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.

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

Difusión "colectiva" dependiente de la concentración

La difusión colectiva es la difusión de un gran número de partículas, más a menudo dentro de un disolvente.

Al contrario del movimiento browniano, que es la difusión de una sola partícula, es posible que se deban considerar las interacciones entre partículas, a menos que las partículas formen una mezcla ideal con su solvente (las condiciones de mezcla ideales corresponden al caso en el que las interacciones entre el solvente 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 se cumple 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 partículas dentro del solvente explicarán 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 exhiben 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 difusoras consideradas son moléculas químicas en solución, entonces es una precipitación).

Difusión molecular de gases

El transporte de material en un fluido estancado oa través de las líneas de corriente de un fluido en un flujo laminar ocurre por difusión molecular. Se pueden prever dos compartimentos adyacentes separados por un tabique, que contengan gases puros A o B. Se produce un movimiento aleatorio de todas las moléculas, 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 los regímenes anteriormente ocupados por A puro. Finalmente, se produce una mezcla completa. Antes de este punto en el tiempo, ocurre una variación gradual en la concentración de A a lo largo de un eje, denominado 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 del gas B es -dC _B /dx. La velocidad de difusión de A, N _A, depende del gradiente de concentración y de la velocidad media 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, dependiente de la temperatura y la 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 la 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 una serie de situaciones. Restringiendo la discusión exclusivamente a condiciones de estado estacionario, en las que ni dC _A /dx ni dC _B /dx cambian con el tiempo, se considera primero la contradifusión equimolecular.

Contradifusión equimolecular

Si no se produce flujo aparente 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. De manera similar, la presión parcial de B cambia dP _B. Como no hay diferencia en la presión total a través del elemento (no hay 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 a n _A / V por lo tanto

En consecuencia, para el gas A,

donde D _AB es la difusividad de A en B. Similarmente,

Considerando que dP _A /dx=-dP _B /dx, se prueba 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}, la integración de la ecuación anterior,

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