Definición de difusión

La difusión es un proceso físico que se refiere al movimiento neto de moléculas de una región de alta concentración a una de menor concentración. El material que se difunde podría ser sólido, líquido o gas. De manera similar, el medio en el que ocurre la difusión también podría estar en uno de los tres estados físicos.

Una de las principales características de la difusión es el movimiento de moléculas a lo largo del gradiente de concentración. Si bien esto podría ser facilitado por otras moléculas, no involucra directamente moléculas de alta energía como el trifosfato de adenosina (ATP) o el trifosfato de guanosina (GTP).

La velocidad de difusión depende de la naturaleza de la interacción entre el medio y el material. Por ejemplo, un gas se difunde muy rápidamente en otro gas. Un ejemplo de esto es la forma en que el olor nocivo del gas amoniaco se propaga en el aire. Del mismo modo, si un recipiente de nitrógeno líquido gotea un poco, el gas de nitrógeno que escapa se difundiría rápidamente a la atmósfera. El mismo gas se difundiría ligeramente más lentamente en un líquido como el agua y más lentamente en un sólido.

De manera similar, dos líquidos miscibles también se difundirán entre sí para formar una solución uniforme. Por ejemplo, cuando el agua se mezcla con glicerol, con el tiempo los dos líquidos se difunden radialmente entre sí. Esto incluso se puede observar visualmente mediante la adición de tintes de diferentes colores a cada uno de los líquidos. Sin embargo, el mismo fenómeno no se observa cuando se mezclan líquidos inmiscibles como la gasolina y el agua. La difusión ocurre lentamente y solo a través de la pequeña superficie de interacción entre los dos fluidos.

Ejemplos de Difusión

la Difusión es una parte importante de muchos procesos biológicos y químicos. En los sistemas biológicos, la difusión ocurre en todo momento, a través de las membranas de cada célula, así como a través del cuerpo.

Por ejemplo, el oxígeno se encuentra en una concentración más alta dentro de las arterias y arteriolas, en comparación con los niveles de oxígeno en las células que respiran activamente. En el momento en que la sangre fluye hacia los capilares en el músculo o el hígado, por ejemplo, solo hay una sola capa de células que separa este oxígeno de los hepatocitos o las fibras musculares esqueléticas. A través de un proceso de difusión pasiva, sin la participación activa de ninguna otra molécula, el oxígeno pasa a través de la membrana capilar y entra en las células.

Las células utilizan oxígeno en las mitocondrias para la respiración aeróbica, que genera gas dióxido de carbono como subproducto. Una vez más, a medida que la concentración de este gas aumenta dentro de la célula, se difunde hacia los capilares, donde la fuerza de la sangre que fluye elimina el exceso de gas de la región del tejido. De esta manera, los capilares permanecen en una concentración baja de dióxido de carbono, permitiendo el movimiento constante de la molécula lejos de las células.

Este ejemplo también muestra que la difusión de cualquier material es independiente de la difusión de cualquier otra sustancia. Cuando el oxígeno se mueve hacia los tejidos de los capilares, el dióxido de carbono entra en el torrente sanguíneo.

En los procesos químicos, la difusión es a menudo el principio central que impulsa muchas reacciones. Como un ejemplo simple, unos pocos cristales de azúcar en un vaso de agua se disolverán lentamente con el tiempo. Esto ocurre porque hay un movimiento neto de moléculas de azúcar en el medio de agua. Incluso en grandes reacciones industriales, cuando se mezclan dos líquidos, la difusión une los reactivos y permite que la reacción proceda sin problemas. Por ejemplo, una de las formas en que se sintetiza el poliéster es mezclando el ácido orgánico apropiado y el alcohol en su forma líquida. La reacción procede a medida que los dos reactivos se difunden entre sí y experimentan una reacción química para formar ésteres.

Factores que afectan a la difusión

La difusión se ve afectada por la temperatura, el área de interacción, la inclinación del gradiente de concentración y el tamaño de partícula. Cada uno de estos factores, de forma independiente y colectiva, puede alterar la velocidad y el alcance de la difusión.

Temperatura

En cualquier sistema, las moléculas se mueven con una cierta cantidad de energía cinética. Esto generalmente no se dirige de ninguna manera en particular, y puede parecer aleatorio. Cuando estas moléculas chocan entre sí, hay un cambio en la dirección del movimiento, así como cambios en el momento y la velocidad. Por ejemplo, si un bloque de hielo seco (dióxido de carbono en forma sólida) se coloca dentro de una caja, las moléculas de dióxido de carbono en el centro del bloque chocan entre sí y se retienen dentro de la masa sólida. Sin embargo, para las moléculas en la periferia, las moléculas que se mueven rápidamente en el aire también influyen en su movimiento, lo que les permite difundirse en el aire. Esto crea un gradiente de concentración, con la concentración de dióxido de carbono disminuyendo gradualmente con la distancia del trozo de hielo seco.

Con el aumento de la temperatura, la energía cinética de todas las partículas en el sistema aumenta. Esto aumenta la velocidad a la que se mueven las moléculas de soluto y solvente, y aumenta las colisiones. Esto significa que el hielo seco (o incluso el hielo regular) se evaporará más rápido en un día más cálido, simplemente porque cada molécula se mueve con mayor energía y es más probable que escape rápidamente de los confines de un estado sólido.

Área de interacción

Para ampliar el ejemplo dado anteriormente, si el bloque de hielo seco se rompe en varios pedazos, el área que interactúa con la atmósfera aumenta inmediatamente. El número de moléculas que solo chocan con otras partículas de dióxido de carbono dentro del hielo seco disminuye. Por lo tanto, la velocidad de difusión del gas en el aire también aumenta.

Esta propiedad se puede observar aún mejor si el gas tiene olor o color. Por ejemplo, cuando el yodo se sublima sobre una estufa caliente, comienzan a aparecer vapores morados y se mezclan con el aire. Si la sublimación se lleva a cabo en un crisol estrecho, los humos se difunden lentamente hacia la boca del recipiente y luego desaparecen rápidamente. Si bien se limitan a la superficie más pequeña dentro del crisol, la tasa de difusión sigue siendo baja.

Esto también se observa cuando se mezclan dos reactivos líquidos entre sí. La agitación aumenta el área de interacción entre los dos productos químicos y permite que estas moléculas se difundan entre sí más rápidamente. La reacción avanza hacia la finalización a un ritmo más rápido. En una nota similar, cualquier soluto que se rompe en trozos pequeños y se agita en el disolvente se disuelve rápidamente, otro indicador de que las moléculas se difunden mejor cuando aumenta el área de interacción.

Inclinación del Gradiente de concentración

Dado que la difusión es impulsada principalmente por la probabilidad de que las moléculas se alejen de una región de mayor saturación, inmediatamente se deduce que cuando el medio (o solvente) tiene una concentración muy baja de soluto, la probabilidad de que una molécula se difunda lejos del área central es mayor. Por ejemplo, en el ejemplo sobre la difusión de gas de yodo, si el crisol se coloca en otro recipiente cerrado y los cristales de yodo se calientan durante un período prolongado de tiempo, la velocidad a la que el gas púrpura parece «desaparecer» en la boca del crisol se reducirá. Esta aparente desaceleración se debe al hecho de que, con el tiempo, el recipiente más grande comienza a tener suficiente gas yodado que parte de él se moverá «hacia atrás» hacia el crisol. Aunque esto es aleatorio no-movimiento dirigido, con un gran bulto, se puede crear un escenario donde no hay movimiento neto de gas en el recipiente.

Tamaño de partícula

A cualquier temperatura dada, la difusión de una partícula más pequeña será más rápida que la de una molécula de mayor tamaño. Esto está relacionado tanto con la masa de la molécula como con su área de superficie. Una molécula más pesada con un área de superficie más grande se difundirá lentamente, mientras que las partículas más pequeñas y ligeras se difundirán más rápidamente. Por ejemplo, mientras que el gas oxígeno se difundirá ligeramente más rápido que el dióxido de carbono, ambos se moverán más rápido que el gas yodo.

Funciones de difusión

La difusión en el cuerpo humano es necesaria para la absorción de nutrientes digeridos, el intercambio de gases, la propagación de impulsos nerviosos, el movimiento de hormonas y otros metabolitos hacia su órgano diana y para casi todos los eventos en el desarrollo embrionario.

Tipos de difusión

La difusión puede ser difusión simple y ser facilitada por otra molécula

Difusión simple

La difusión simple es simplemente el movimiento de moléculas a lo largo de su gradiente de concentración sin la participación directa de otras moléculas. Puede implicar la propagación de un material a través de un medio o el transporte de una partícula a través de una membrana. Todos los ejemplos mencionados anteriormente eran ejemplos de difusión simple.

La imagen es una representación simple de la difusión de una partícula en otro medio.

La difusión simple es relevante en reacciones químicas, en muchos fenómenos físicos, e incluso puede influir en patrones climáticos globales y eventos geológicos. En la mayoría de los sistemas biológicos, la difusión ocurre a través de una membrana semipermeable hecha de una bicapa lipídica. La membrana tiene poros y aberturas para permitir el paso de moléculas específicas.

Difusión facilitada

Por otro lado, la difusión facilitada, como indica el término, requiere la presencia de otra molécula (el facilitador) para que se produzca la difusión. La difusión facilitada es necesaria para el movimiento de moléculas grandes o polares a través de la bicapa lipídica hidrófoba. La difusión facilitada es necesaria para los procesos bioquímicos de cada célula, ya que hay comunicación entre varios orgánulos subcelulares. Por ejemplo, mientras que los gases y las moléculas pequeñas como el metano o el agua pueden difundirse libremente a través de una membrana plasmática, las moléculas cargadas más grandes como los carbohidratos o los ácidos nucleicos necesitan la ayuda de proteínas transmembranas que forman poros o canales.

La imagen muestra el movimiento de una molécula insoluble desde el espacio extracelular hacia el citoplasma.

Dado que son aberturas relativamente grandes en la membrana plasmática, estas proteínas integrales de membrana también tienen una alta especificidad. Por ejemplo, la proteína del canal que transporta iones de potasio tiene una afinidad mucho mayor para ese ion que un ion de sodio muy similar, con casi el mismo tamaño y carga.Gradiente de concentración: Disminución gradual de la concentración de una sustancia, a menudo un soluto en una solución. Dentro de los sistemas vivos, este gradiente generalmente se ve en dos lados de una membrana lipídica semipermeable.

Cuestionario

1. ¿Cuál de estas afirmaciones sobre la difusión de moléculas es verdadera?A. La difusión facilitada es alimentada enteramente por hidrólisis GTP
B. Nunca necesita la presencia de ninguna otra molécula
C. La difusión de cada molécula depende de su gradiente de concentración e independiente de la concentración de otras especies moleculares en el medio
D. Todo lo anterior

2. Si hubiera un refrigerante cerca de la boca de un crisol calentando yodo, ¿cómo afectaría eso a su velocidad de difusión?
A. Se mantendría sin cambios
B. Aumento
C. Disminución
D. Dependería de la naturaleza y la temperatura del refrigerante

3. ¿Cuál de estas afirmaciones NO es cierta?
A. Las moléculas polares grandes no pueden difundirse a través de una membrana biológica
B. El dióxido de carbono se difundiría más rápido que el gas de bromo
C. Las proteínas de membrana integrales que facilitan la difusión son altamente específicas sobre su carga
D. Todo lo anterior

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