Difusão molecular

Para efeitos de classificação, e dos equacionamentos específicos, a difusão é dividida quanto à homogeneidade ou heterogeneidade das espécies em difusão como autodifusão, quando a difusão se dá entre átomos de mesma espécie (como entre seus isótopos) e interdifusão, quando a difusão se dá entre átomos de espécies diferentes. Exemplificando: quando se tem duas misturas gasosas, consideradas a mesma pressão e temperatura, formadas apenas de hidrogênio prótio e seu isótopo mais pesado, com um nêutron a mais no núcleo, deutério, mas de composições destes diferentes, e que são colocadas em contato, a difusão dos isótopos na mistura trata-se de autodifusão. Quando temos carbono em liga de ferro, e este migra para outra parte da liga com menor concentração de carbono, como os átomos são de diferentes elementos, de núcleos de diferentes números de prótons, trata-se de interdifusão.

Difusão é de importância fundamental em muitas disciplinas de física, química e biologia. Alguns exemplos de aplicações da difusão são:

Difusão é parte dos fenômenos de transportes. Dos mecanismos de transporte de massa, a difusão molecular é conhecida como a mais lenta.

Em biologia celular, difusão é a principal forma de transporte para materiais necessários tais como aminoácidos no interior das células. A difusão de água (H2O) através de uma parcialmente permeável membrana é classificada como osmose. O metabolismo e a respiração dependem, em parte, da difusão, além de processos em massa ou ativos. Por exemplo, nos alvéolos de pulmões de mamíferos, devido à diferenças em pressões parciais através da membrana dos capilares do alvéolo, o oxigênio difunde-se no sangue e o dióxido de carbono difunde-se para o exterior. Pulmões possuem uma grande área de superfície para facilitar este processo de troca gasosa.

Fundamentalmente, dois tipos de difusão são distinguidos: Os coeficientes de difusão para estes dois tipos de difusão são geralmente diferentes porque o coeficiente de difusão para difusão química é binário e inclui os efeitos devido à correlação do movimento de diferentes espécies em difusão.

Porque difusão química é um processo de transporte em balanço, o sistema no qual ele toma lugar é um sistema em equilíbrio (i.e., não está em repouso até o momento). Muitos resultados na termodinâmica clássica não são facilmente aplicados a sistemas em desequilíbrio (não em equilíbrio). No entanto, há vezes em que ocorrem os chamados estados quase-estacionários, onde o processo de difusão não muda no tempo, onde os resultados clássicos podem aplicar-se localmente. Como o nome sugere, este processo não é um verdadeiro equilíbrio dado que o sistema ainda está evoluindo. Sistemas fluidos em desequilíbrio podem podem ser modelados com sucesso com a hidrodinâmica flutuante de Landau-Lifshitz. Neste quadro teórico, a difusão é devida às flutuações cujas dimensões variam de escala molecular à escala macroscópica. Difusão química aumenta a entropia do sistema (i.e., difusão é um processo espontâneo e irreversível). As partículas podem espalhar-se por difusão, mas não de forma espontânea reporganizar-se (ausência de alterações no sistema, assumindo que não há criação de novas ligações químicas, e de ausência de forças externas atuando sobre as partículas).

A difusão não é fácil de se observar, porque outros fenômenos de transporte, especialmente a convecção, são mais eficientes em escalas de comprimento acima de milímetros. Difusão é mais importante em escalas microscópicas. Difusão pode ser demonstrada com um tubo de vidro longo, papel, duas rolhas de cortiça, uma certa quantidade de algodão embebido em solução de amônia e alguns pedaços de papel de tornassol vermelho. Fixa-se o algodão numa das rolhas e diversos pedaços de papel harmoniosamente espaçados numa linha ou barbante preso na outra, por exemplo, com alfinetes. Arrolhando-se as duas extremidades do tubo de vidro com as rolhas e seus anexos, tomando-se o cuidado do fio com os papéis de tornassol se alongar pelo comprimento do tubo, e deitando o tubo na mesa (o que elimina a ação da gravidade), sem nenhuma agitação, pode-se observar que o papel de tornassol vermelho fica azulado. Isto ocorre porque as moléculas de amônia viajam por difusão da extremidade com mais alta concentração no algodão para a extremidade de mais baixa concentração no restante do tubo de vidro. Isso não significa que as partículas não se movimentam em outras direções, mas há um fluxo líquido (em balanço) da região de concentração mais alta para a região de concentração mais baixa. Como a solução de amônia é alcalina, o papel tornassol vermelho torna-se azul. Pela alteração da concentração de amônia, a taxa de mudança da cor dos papéis de tornassol pode ser alterada. Note-se que a taxa de difusão em si não é aumentada, mesmo quando existe um gradiente de concentração mais acentuado, pois não é função da concentração. O que é realmente maior é o fluxo.

Difusão coletiva é a difusão de um grande número de partículas, mais frequentemente num solvente. Ao contrário do movimento browniano, o qual é a difusão de uma única partícula, interseções entre partículas pode ter de ser considerada, a menos que as partículas formem uma mistura ideal com o seu solvente (condições de mistura ideal correspondem ao caso onde as interações entre o solvente e as partículas são idênticas às interações entre partículas e as interações entre as moléculas do solvente, neste caso, as partículas não interagem quando no interior do solvente). No caso de uma mistura ideal, a equação de difusão da partícula mantém-se verdadeira e o coeficiente de difusão D, a velocidade de difusão na equação de difusão da partícula é independente da concentração da partícula. Em outros casos, resultando em interações entre partículas no solvente irão sofrer os seguintes efeitos:

Transporte de material em fluido estagnado ou através de linhas de fluxo de um fluido em fluxo laminar ocorre por difusão molecular. Dois compartimentos adjacentes, separados por partição contendo gases puros A e B, podem ser previstos. Movimento aleatório de todas as moléculas de modo a que, após um período, moléculas são encontradas distante das suas posições originais. Se a partição é removida, algumas moléculas de A movem-se em direção à região ocupada por B, passando por um plano O intermediário. O número de moléculas transportadas de A depende da ocupação de moléculas no ponto considerado. Simultaneamente, moléculas de B difundem-se para os regimes anteriormente ocupados por A puro. Finalmente, a mistura completa ocorre. Antes deste ponto no tempo, uma variação gradual na concentração de A ocorre ao longo do eixo, designado x, o qual une os compartimentos originais. Esta variação, expressa matematicamente -dCA/dx, onde CA é a concentração de A. O sinal negativo surge porque a concentração de A diminui à medida que a distância x aumenta. Similarmente, a variação na concentração de gás B é -dCB/dx. A taxa de difusão de A, JA, depende do gradiente de concentração a a velocidade média com a qual as moléculas de A movem-se na direção x. Esta relação é expressa pela lei de Fick

Se nenhum fluxo massivo ocorre num elemento de comprimento dx (lembrando que trata-se de uma difusão, não de um deslocamento de massas de gás), as taxas de difusão de dois gases A e B devem ser iguais e opostas, o que é NA=NB. A pressão parcial de A altera-se por dPA na distância dx. Similarmente, a pressão parcial de B altera-se dPB. Como não existe diferença na pressão total através do elemento (nenhum fluxo massivo, embora possa haver uma alteração de densidade, exatamente pela alteração de composição), dPA/dx deve igualar-se a -dPB/dx. Para um gás ideal a pressão parcial é relacionada à concentração molar pela relação onde nA é o número de moles de gás A em um volume V. Como a concentração molar CA é igual a nA/V portanto onde DAB é a difusividade de A em B. Similarmente, Portanto, permite que DAB=DBA=D. Se a pressão parcial de A em x1 é PA1 e x2 é PA2, pode-se integrar a equação acima,