DIFUSION

DEFINICION:

La tendencia natural de átomos y moléculas a moverse desde zonas de alta concentración hacia zonas de baja concentración se denomina difusión. La difusión se define como el transporte neto debido al movimiento aleatorio; es un fenómeno de transporte de masa por movimiento atómico (en el caso de metales); de cationes y aniones (en el caso de cerámicas iónicas) y de macromoléculas (en el caso de polímeros). Esta transferencia permite que muchas reacciones y procesos importantes en la fabricación de un componente o una estructura de ingeniería sean posibles.

Gases ⇒ mov. Átomos/moléculas muy rápido Líquidos ⇒ mov. Más lento ⇒ ↑↑Interacciones atómicas Sólidos ⇒ SÓLO vibraciones térmicas en posiciones equilibrio.

Otra definición de difusión es el paso de las moléculas selectivas de un medio a otro, debido a la diferencia de concentración. la barrera de este transporte son los mismos fluidos. Ejemplo: El fenómeno de difusión se puede demostrar mediante el par difusor formado por la unión dedos metales puestos en contacto (Cu-Ni). Estos se someten a alta temperatura durante un largo período de tiempo y luego se enfría.

El análisis químico revela: Cu y Ni en los extremos separados por una región de aleación. La composición de metales varía con la distancia.

TIPOS DE DIFUSION

OsmosisLa ósmosis es un fenómeno físico relacionado con el comportamiento de un sólido como soluto de una solución ante una membrana semipermeable para el solvente pero no para los solutos. Tal comportamiento entraña una difusión simple a través de la membrana, sin "gasto de energía". La ósmosis del agua es un fenómeno biológico importante para la fisiología celular de los seres vivos.

DiálisisEs el pasaje de agua más soluto de un lugar de mayor concentración a un lugar de menor concentración.En bioquímica, la diálisis es el proceso de separar las moléculas en una solución por la diferencia en sus índices de difusión a través de una membrana semipermeable. Típicamente una solución de varios tipos de moléculas es puesta en un bolso semipermeable de diálisis, como por ejemplo, en una membrana de la celulosa con poros, y el bolso es sellado. El bolso de diálisis sellado se coloca en un envase con una solución diferente, o agua pura. Las moléculas lo suficientemente pequeñas como para pasar a través de los poros (a menudo agua, sales y otras moléculas pequeñas) tienden a moverse hacia adentro o hacia afuera del bolso de diálisis en la dirección de la concentración más baja. Moléculas más grandes (a menudo proteínas, ADN, o polisacáridos) que tiene dimensiones significativamente mayores que el diámetro del poro son retenidas dentro del bolso de diálisis. Una razón común de usar esta técnica puede ser para quitar la sal de una solución de la proteína.

FACTORES DE LA DIFUSION RAPIDA

Temperatura

De todos los factores que influyen en la velocidad de difusión, la temperatura es la más importante. La temperatura tiene el mayor efecto sobre la velocidad de difusión y es el factor de cambio más fácil. El aumento de la temperatura aumenta la velocidad de difusión mediante la adición de energía a cada partícula. Esto es porque las partículas con más energía pueden moverse a través del material huésped más fácilmente. Del mismo modo, reducir la temperatura bajará la velocidad de difusión mediante la reducción de la energía de cada partícula.Diferencia de concentración

La velocidad de difusión depende de la diferencia entre las concentraciones de todo el material huésped, dando como resultado mayor velocidad de diferencia por las mayores diferencias de concentración. Por ejemplo, la difusión a través de una pared delgada se producirá significativamente más rápido si hay una alta concentración del gas en un lado y ninguno al otro lado de la pared, que si hubiera una cantidad casi igual de gas en ambos lados.

Distancia de difusión

La velocidad de difusión es inversamente proporcional a la distancia a través de la cual el material se difunde. Es decir, las distancias más pequeñas resultan en velocidades de difusión más rápidas y las distancias más grandes resultan en velocidades de difusión más lentas. Esto tiene sentido, ya que un gas se difunde a través de una pared delgada mucho más rápido de lo que lo haría a través de una pared gruesa.

Difusión y materiales huéspedes

La velocidad de difusión también depende del material con que se está difundiendo y del material a través del cual lo hace. A una cierta temperatura, todas las partículas tienen la misma energía promedio. Esto significa que los átomos más ligeros, como el hidrógeno, el carbono, el oxígeno y el nitrógeno viajan más rápido y son más móviles que los átomos más grandes, tales como el cobre o el hierro. Los materiales hechos de estos átomos más ligeros se difunden más rápidamente que los más pesados.

Difusión molecular

Los fenómenos de transporte tienen lugar en los procesos, conocidos como de transferencia, en los cuales se establece el movimiento de una propiedad (masa, momento o energía) en una o varias direcciones bajo la acción de una fuerza impulsora. Al movimiento de una propiedad se le llama flujo La transferencia de masa por difusión molecular es el tránsito de la misma como resultado de una diferencia de concentración en una mezcla.

A continuación se explica con ejemplos todo lo relacionado a la difusión molecular a través de la teoría cinética molecular:

Luego de aclaradas muchas dudas se puede proseguir con los numerosos ejemplos cotidianos de transporte de materia, como: la difusión de humo y otros contaminantes en la atmósfera; la transferencia de soluto entre las fases de un absolvedor de gas, un extractor o en una torre de enfriamiento; la mezcla del azúcar en un pocillo de tinto; el secado de la ropa (difusión del vapor de agua en el aire); el intercambio de oxígeno-gas carbónico en los pulmones.

La difusión molecular es el movimiento de las moléculas de los componentes de una mezcla producida por la diferencia de concentración existente en el sistema. La difusión de las moléculas se produce en la dirección necesaria para eliminar el

gradiente de concentración. Si se mantiene el gradiente añadiendo continuamente material nuevo a la región de la alta concentración y eliminándolo de la región de baja concentración, la difusión será continua. Ello se presenta a menudo en las operaciones de transferencia de materia y en sistemas de reacción.

Por ejemplo un cristal de permanganato de potasio en un vaso con agua. Las moléculas disueltas del cristal difunden lentamente desde la región de alta concentración en el fondo, tendiendo a convertir uniformemente la concentración (Proporcional a la intensidad del color) con el tiempo. Este tipo de difusión se debe al movimiento errático de las moléculas y se la denomina difusión

molecular.

El transporte molecular resulta de la transferencia de moléculas individuales a través de un fluido por medio de los movimientos desordenados de las moléculas debido a su energía interna. Podemos imaginar a las moléculas desplazándose en líneas rectas con una velocidad uniforme y cambiando su dirección al rebotar con otras moléculas después de chocar. Entonces su velocidad cambia tanto en magnitud como en dirección.

Diagrama esquemático del proceso de difusión molecular

El mecanismo real del transporte difiere en gran medida entre gases, líquidos y sólidos, debido a las diferencias sustanciales que hay en la estructura molecular de estos 3 estados físicos.

Gases: los gases contienen relativamente pocas moléculas por unidad de volumen. Cada molécula tiene pocas vecinas o cercanas con las cuales pueda interactuar y las fuerzas moleculares son relativamente débiles; las moléculas de un gas tienen la libertad de moverse a distancias considerables antes de tener colisiones con otras moléculas. El

comportamiento ideal de los gases es explicado por la teoría cinética de los gases

Líquidos: los líquidos contienen una concentración de moléculas mayor por unidad de volumen, de manera que cada molécula tiene varias vecinas con las cuales puede interactuar y las fuerzas intermoleculares son mayores. Como resultado, el movimiento molecular se restringe más en un líquido. La migración de moléculas desde una región hacia otra ocurre pero a una velocidad menor que en el caso de los gases. Las moléculas de un líquido vibran de un lado a otro, sufriendo con frecuencia colisiones con las moléculas vecinas.

Sólidos: En los sólidos, las moléculas se encuentran más unidas que en los líquidos; el movimiento molecular tiene mayores restricciones. En muchos sólidos, las fuerzas intermoleculares son suficientemente grandes para mantener a las moléculas en una distribución fija que se conoce como red cristalina

La ecuación general para el transporte molecular se caracteriza por el mismo tipo de ecuación ya antes estudiada que menciona:Que la velocidad de un proceso de transferencia = Fuerza impulsora/ la resistenciaImportancia de la difusión en el biprocesador

En la mayoría de procesos industriales donde se necesita transferencia de materias se realiza una mezcla del fluido. El movimiento del fluido produce una mezcla a gran escala más rápida que a difusión molecular. Entonces ¿por qué es todavía importante el transporte por difusión? A continuación se describen las áreas del biprocesador donde la difusión desempeña un papel importante.

Escala de mezclado: La turbulencia en los fluidos produce una mezcla en el seno del fluido a una escala igual a la de los remolinos más pequeños. Dentro de estos pequeños remolinos el flujo es fundamentalmente laminar por lo que la mezcla se produce por difusión de los componentes del fluido. La mezcla a escala molecular se debe, por tanto, a la difusión como etapa final en el proceso de mezcla.

Reacción en fase sólida: En los sistemas biológicos, las reacciones se ven algunas veces agilizadas por catalizadores sólidos, como por ejemplo agregados, flósculos y películas de células así como partículas de células o enzimas inmovilizadas. Cuando se juntan las moléculas de las células o de las enzimas en una partícula sólida, los sustratos deben ser transportados dentro del sólido para que se produzca la reacción. En estos casos, la trasferencia de materia en el interior de las partículas sólidas no se produce por convección del fluido sino por difusión molecular. A medida que transcurre la reacción, la difusión es también la responsable de la salida de las moléculas de producto hacia el exterior del lugar de reacción. Cuando

reacción y difusión van unidas, la velocidad global de reacción puede reducirse considerablemente si la difusión es lenta.

Transferencia de materia a través de una interface: En el biprocesador es habitual la transferencia de materia entre diferentes fases. Ejemplos típicos son la transferencia de oxígeno desde las burbujas de gas hacia el caldo de fermentación, la recuperación de la penicilina de un líquido orgánico o acuoso, y la transferencia de glucosa desde el medio líquido hacia los pellets. Cuando entran en contacto diferentes fases, la velocidad del fluido cerca de la interface disminuye considerablemente y la difusión llega a ser un proceso crucial para la transferencia de materia.

Mecanismos de transporte

Es de capital importancia para la célula poder transportar moléculas hacia afuera y adentro de ella misma. Imagine una proteína que tiene múltiples dominios transmembrana (la atraviesan) y dispone los mismos en círculo formando un cilindro o mejor un barril, que visto desde afuera, muestra cada uno de los dominios, equivalentes a un listón del barril.

El "centro" de este barril conforma un "agujero" en la membrana plasmática, aislado de la misma por un arreglo de dominios de transmembrana alrededor de él. Este "agujero" puede ser utilizado para transportar substancias hacia adentro o afuera de la célula.

Este agujero puede ser hidrofílico si cadenas laterales hidrofílicas de las proteínas que lo rodean protruyen hacia él.

En la práctica, para una proteína de membrana de estructura conocida, estos agujeros solo son lo suficientemente grandes para dejar pasar por la membrana plasmática moléculas pequeñas tales como H+, K+ o Na+.

Estos iones pueden pasar por el orificio por difusión pasiva, en cuyo caso la proteína que permite el paso conforma un "canal iónico". En otros casos la proteína de membrana necesita invertir energía (generalmente derivada de ATP), para forzar el paso del ión de un lado al otro de la membrana, en ese caso conforma una "bomba de iones".

Dado la importancia del transporte a través de la membrana la célula utiliza un gran número de mecanismos de transporte. Estos mecanismos caen dentro de una de estas tres categorías: difusión simple, difusión facilitada, y transporte activo.

 

Difusión

Difusión simple, significa que la molécula puede pasar directamente a través de la membrana. La difusión es siempre a favor de un gradiente de concentración. Esto limita la máxima concentración posible en el interior de la célula (o en el exterior si se trata de un producto de desecho).

La efectividad de la difusión está limitada por la velocidad de difusión de la molécula.

Por lo tanto si bien la difusión es un mecanismo de transporte suficientemente efectivo para alguna molécula (por ejemplo el agua), la célula debe utilizar otros mecanismos de transporte para sus necesidades.

 

Difusión facilitada

La difusión facilitada utiliza canales (formados por proteínas de membrana) para permitir que moléculas cargadas (que de otra manera no podrían atravesar la membrana) difundan libremente hacia afuera y adentro de la célula. Estos canales son usados sobre todo por iones pequeños tales como K+, Na+, Cl-.

La velocidad del transporte facilitado está limitado por el número de canales disponibles (ver que la curva indica una "saturación") mientras que la velocidad de difusión depende solo del gradiente de concentración.

 

Transporte activo

El transporte activo requiere un gasto de energía para transportar la molécula de un lado al otro de la membrana, pero el transporte activo es el único que puede

transportar moléculas contra un gradiente de concentración, al igual que la difusión facilitada el transporte activo esta limitado por el número de proteínas transportadoras presentes.

Son de interés dos grandes categorías de transporte activo, primario y secundario. El transporte activo primario usa energía (generalmente obtenida de la hidrólisis de ATP), a nivel de la misma proteína de membrana produciendo un cambio conformacional que resulta en el transporte de una molécula a través de la proteína.

El ejemplo más conocido es la bomba de Na+/K+. La bomba de Na+/K+ realiza un contra transporte ("antyport") transporta K+ al interior de la célula y Na+ al exterior de la misma, al mismo tiempo, gastando en el proceso ATP.

El transporte activo secundario utiliza la energía para establecer un gradiente a través de la membrana celular, y luego utiliza ese gradiente para transportar una molécula de interés contra su gradiente de concentración.

Un ejemplo de ese mecanismo es el siguiente: Escherichia coli establece un gradiente de protones (H+) entre ambos lados de la membrana utilizando energía para bombear protones hacia afuera de la célula. Luego estos protones se acoplan a la lactosa (un azúcar que sirve de nutriente al microorganismo) a nivel de la lactosa-permeasa (otra proteína de transmembrana), la lactosa permeasa usa la energía del protón moviéndose a favor de su gradiente de concentración para transportar la lactosa dentro de la célula.

Este transporte acoplado en la misma dirección a través de la membrana celular se denomina cotransporte ("symport"). Escherichia coli utiliza este tipo de mecanismo para transportar otros azucares tales como ribosa y arabinosa, como así también numerosos aminoácidos.

 

El mecanismo de transporte secundario Na+-glucosa

Otro sistema de transporte secundario usa la bomba de Sodio/Potasio en una primera etapa, genera así un fuerte gradiente de Sodio a través de la membrana. Luego la proteína "simport" para el sistema Sodio-Glucosa usa la energía del gradiente de Sodio para transportar Glucosa al interior de la célula.

Este sistema se usa de manera original en las células epiteliales del intestino. Estas células toman glucosa y sodio del intestino y lo transportan al torrente sanguíneo utilizando la acción concertada de los "simport" para Sodio/Glucosa, la glucosa permeasa (una proteína de difusión facilitada para la glucosa) y las bombas de Sodio/Potasio.

Se debe hacer notar que las células del intestino se encuentran unidas entre sí por "uniones estrechas" (tight junctions) que impiden que nada proveniente del intestino pase al torrente sanguíneo sin ser primero filtradas por las células epiteliales.

APLICACIONES EN PROCESOS INDUSTRIALES

Endurecimiento superficial del acero (engranajes o ejes):

Procesos de Carburación o Cementación (CH4 – N2):

El endurecimiento superficial del acero se puede conseguir, fundamentalmente mediante dos procedimientos: modificando la composición química de la superficie mediante la difusión de algún elemento químico (carbono, nitrógeno, azufre, etc.) lo que se le conoce como Tratamiento Termoquímico o modificando solo la microestructura de la superficie por tratamiento térmico, conociéndose entonces Como Tratamiento Superficial.

Los tratamientos termoquímicos aplicados al acero son aquellos en los cuales la composición de la superficie de la pieza se altera por la adición de carbono, nitrógeno u otros elementos. Estos procesos se aplican comúnmente a piezas de acero de bajo carbono para lograr una capa exterior dura, resistente al desgaste reteniendo un núcleo tenaz y difícil.

Fabricación de circuitos electrónicos integrados con obleas de Si dopados con impurezas para modificar las características de la conductividad térmica.

• El procedimiento habitual para la obtención de la oblea de Si es el método Czocharlski. En un recipiente se dispone Si fundido de gran pureza. Un pequeño cristal de Si (semilla) se pone en contacto con el Si fundido, de forma que los átomos de Si se solidifican en torno a la semilla adoptando su estructura cristalina.

• El cristal se va extrayendo lentamente con un lento movimiento de rotación para reducir los gradientes de temperatura. Normalmente se añade una pequeña cantidad de un dopante al Si fundido para conseguir que la oblea tenga un dopaje inicial determinado.El objetivo de la difusión es crear zonas con dopajes determinados. Para ello se somete a la oblea a altas temperaturas en presencia de un dopante (B para tipo p; P; As; Sb para tipo n) que esta típicamente en fase gaseosa o liquida.La difusión no solo se produce verticalmente, sino también lateralmente, siendo ambas difusiones de magnitudes comparables. El efecto de la difusión lateral es que la dimensión efectiva de la zona dopada es mayor que la de la ventana abierta para que penetre el dopante. A medida que la tecnología disminuye de tamaño, la difusión lateral se convierte en un efecto no deseado cada vez más importante. Otra característica de la difusión es que produce una concentración de impurezas no uniforme.

Nitruración de polvo de Si: Si3N4

H=-2080 KJ/molTemperatura = 1250 -1400 grados centígradosEs el tratamiento térmico de un polvo o compactado metálico o cerámico a una temperatura inferior a la de fusión de la mezcla, para incrementar la fuerza y la resistencia de la pieza creando enlaces entre las partículas.

Las partículas coalescen por difusión al estado sólido a muy altas temperaturas, pero por debajo del punto de fusión o vitrificación del compuesto. En el proceso, se producen difusión atómica entre las superficies de contacto de las partículas, lo que provoca que resulten químicamente unidas.

Industria Aeroespacial

Aislante en sistemas de encendido en motores a reacción Radomos para misiles en los más modernos sistemas de defensa aérea Rodamientos, casquillos y componentes resistentes al desgaste en motores a reacciones comerciales.

Desgaste industrial: Rodamientos en general Válvulas de bola

• Industria del papel (componentes que trabajan en condiciones muy abrasivas, acidas y a cizalla)Industria metalúrgica: rodillos de doblado, de comprensión y de trefilado en la industria de CuInjertos para herramientas de corte.

Descarburación: perdida de carbono superficialmente en los aceros

Consiste en la perdida de parte del carbono de su composición química durante un tratamiento a elevada temperatura, debido a su interacción con una atmosfera gaseosa. Esto conduce a un empeoramiento de sus propiedades mecánicas, sobre todo en las zonas próximas a la superficie del material. El grado de descarburación es función de la temperatura, de la composición química del acero y de la composición química de la fase gaseosa con la que reacciona. En estos procesos se requiere una buena predicción de las condiciones en que se verifican estas reacciones, y su extensión. Por tanto, el análisis termodinámico de las reacciones gas–sólido tiene un gran interés.

CONCLUSION

Es el lento movimiento de moléculas individuales de una región a otra. No importa lo sólido que se vea una ventana de cristal, las moléculas de aire pueden difuminarse cómodamente, o pasar a través del vidrio.

También que en los diferentes estados de la materia la difusión es variada en la velocidad de acuerdo a los factores que lo incluyan