Diffusiedefinitie

diffusie is een fysisch proces dat verwijst naar de nettobeweging van moleculen van een gebied met een hoge concentratie naar een gebied met een lagere concentratie. Het materiaal dat verspreidt kan een vaste, vloeibare of gas. Op dezelfde manier kan het medium waarin diffusie plaatsvindt zich ook in een van de drie fysische toestanden bevinden.

een van de belangrijkste kenmerken van diffusie is de beweging van moleculen langs de concentratiegradiënt. Terwijl dit door andere molecules zou kunnen worden vergemakkelijkt, betrekt het niet direct high-energy molecules zoals adenosinetrifosfaat (ATP) of guanosinetrifosfaat (GTP).

de diffusiesnelheid hangt af van de aard van de interactie tussen het medium en het materiaal. Bijvoorbeeld, een gas verspreidt zeer snel in een ander gas. Een voorbeeld hiervan is de manier waarop de schadelijke geur van ammoniakgas zich verspreidt in de lucht. Evenzo, als een bus met vloeibare stikstof een beetje lekt, stikstof gas dat ontsnapt zou snel diffunderen in de atmosfeer. Hetzelfde gas zou iets langzamer diffunderen in een vloeistof zoals water en het traagst in een vaste stof.

Op dezelfde manier zullen twee mengbare vloeistoffen ook in elkaar diffunderen om een uniforme oplossing te vormen. Bijvoorbeeld, wanneer water wordt gemengd met glycerol, na verloop van tijd diffunderen de twee vloeistoffen radiaal in elkaar. Dit kan zelfs visueel worden waargenomen door de toevoeging van verschillende gekleurde kleurstoffen aan elk van de vloeistoffen. Hetzelfde fenomeen wordt echter niet waargenomen wanneer onmengbare vloeistoffen zoals benzine en water met elkaar worden gemengd. Diffusie gebeurt langzaam en alleen over het kleine oppervlak van interactie tussen de twee vloeistoffen.

voorbeelden van diffusie

diffusie is een belangrijk onderdeel van vele biologische en chemische processen. In biologische systemen, diffusie vindt plaats op elk moment, over membranen in elke cel en door het lichaam.

bijvoorbeeld, zuurstof bevindt zich in een hogere concentratie in de slagaders en arteriolen, vergeleken met het zuurstofgehalte in actief ademende cellen. Tegen de tijd dat bloed stroomt in haarvaten in de spier of lever, bijvoorbeeld, is er slechts een enkele laag van cellen scheiden deze zuurstof van hepatocyten of skeletspiervezels. Door een proces van passieve verspreiding, zonder de actieve betrokkenheid van om het even welke andere molecule gaat zuurstof door het capillaire membraan en cellen in.

cellen gebruiken zuurstof in de mitochondriën voor aërobe ademhaling, die als bijproduct kooldioxidegas genereert. Opnieuw, als de concentratie van dit gas binnen de cel toeneemt, verspreidt het naar buiten naar haarvaten waar de kracht van stromend bloed het overtollige gas uit het weefselgebied verwijdert. Op deze manier blijven de haarvaten bij een lage kooldioxideconcentratie, waardoor de constante beweging van de molecule uit de buurt van cellen.

Dit voorbeeld toont ook aan dat de diffusie van een materiaal onafhankelijk is van de diffusie van andere stoffen. Wanneer zuurstof zich naar weefsels van haarvaten beweegt, komt kooldioxide in de bloedbaan.

in chemische processen is diffusie vaak het centrale principe van vele reacties. Een eenvoudig voorbeeld: een paar suikerkristallen in een glas water lossen langzaam op na verloop van tijd. Dit komt omdat er een nettobeweging van suikermoleculen in het watermedium is. Zelfs in grote industriële reacties, wanneer twee vloeistoffen worden gemengd, brengt diffusie de reagentia samen en laat de reactie soepel verlopen. Bijvoorbeeld, een van de manieren waarop polyester wordt gesynthetiseerd is door het mengen van de juiste organische zuur en alcohol in hun vloeibare vorm. De reactie verloopt als de twee reagentia naar elkaar toe diffunderen en een chemische reactie ondergaan om esters te vormen.

factoren die de diffusie beïnvloeden

diffusie wordt beïnvloed door temperatuur, interactiegebied, steilheid van de concentratiegradiënt en deeltjesgrootte. Elk van deze factoren, onafhankelijk en collectief kan de snelheid en de mate van verspreiding veranderen.

temperatuur

in elk systeem bewegen moleculen met een bepaalde hoeveelheid kinetische energie. Dit is meestal niet gericht op een bepaalde manier, en kan willekeurig lijken. Wanneer deze molecules met elkaar botsen, is er een verandering in de richting van beweging evenals veranderingen in impuls en snelheid. Bijvoorbeeld, als een blok droogijs (kooldioxide in vaste vorm) wordt geplaatst in een doos, kooldioxide moleculen in het midden van het blok meestal botsen met elkaar en blijven binnen de vaste massa. Voor moleculen in de periferie beïnvloeden snel bewegende moleculen in de lucht echter ook hun beweging, waardoor ze in de lucht kunnen diffunderen. Hierdoor ontstaat een concentratiegradiënt, waarbij de concentratie van kooldioxide geleidelijk afneemt met de afstand tot de klomp droogijs.

bij temperatuurstijging neemt de kinetische energie van alle deeltjes in het systeem toe. Dit verhoogt de snelheid waarmee opgeloste en oplosbare moleculen bewegen, en verhoogt botsingen. Dit betekent dat het droogijs (of zelfs gewoon ijs) sneller verdampt op een warmere dag, gewoon omdat elk molecuul beweegt met meer energie en is meer kans om snel te ontsnappen aan de grenzen van een vaste staat.

interactiegebied

om het bovenstaande voorbeeld uit te breiden, neemt het gebied dat met de atmosfeer samenwerkt onmiddellijk toe als het blok droogijs in meerdere stukken wordt gebroken. Het aantal moleculen dat alleen in botsing komt met andere koolstofdioxide deeltjes binnen droogijs neemt af. Daarom neemt de diffusiesnelheid van het gas in de lucht ook toe.

Deze eigenschap kan nog beter worden waargenomen als het gas een geur of kleur heeft. Bijvoorbeeld, wanneer jodium wordt gesublimeerd over een hete kachel, paarse dampen beginnen te verschijnen en mengen met lucht. Bij sublimatie in een smal smeltkroes diffunderen de rookgassen langzaam naar de mond van de tank en verdwijnen ze snel. Hoewel ze beperkt zijn tot het kleinere oppervlak in de kroes, blijft de diffusiesnelheid laag.

Dit wordt ook waargenomen wanneer twee vloeibare reagentia met elkaar worden gemengd. Het bewegen verhoogt het gebied van interactie tussen de twee chemische producten en laat deze molecules toe om naar elkaar sneller te verspreiden. De reactie gaat naar voltooiing in een sneller tempo. Op een soortgelijke nota, Lost om het even welke opgeloste stof die in kleine stukken wordt gebroken en in het oplosmiddel wordt geroerd snel op – een andere indicator van molecules die beter verspreiden wanneer het gebied van interactie toeneemt.

steilheid van de concentratiegradiënt

aangezien diffusie voornamelijk wordt aangedreven door de kans dat moleculen zich verplaatsen van een gebied met een hogere verzadiging, volgt onmiddellijk dat wanneer het medium (of oplosmiddel) een zeer lage concentratie van de opgeloste stof heeft, de kans dat een molecuul zich verspreidt van het centrale gebied hoger is. Bijvoorbeeld, in het voorbeeld over de diffusie van jodiumgas, als de smeltkroes in een andere gesloten container wordt geplaatst en de jodiumkristallen gedurende langere tijd worden verhit, zal de snelheid waarmee het paarse gas aan de mond van de smeltkroes lijkt te ‘verdwijnen’ afnemen. Deze schijnbare vertraging is te wijten aan het feit dat, na verloop van tijd, de grotere container genoeg jodiumgas begint te hebben dat een deel ervan ‘achteruit’ naar de kroes zal bewegen. Hoewel dit willekeurige niet-gerichte beweging is, kan het met een grote massa een scenario creëren waarin er geen nettobeweging van gas uit de container is.

deeltjesgrootte

bij een bepaalde temperatuur zal de diffusie van een kleiner deeltje sneller zijn dan die van een groter molecuul. Dit is gerelateerd aan zowel de massa van de molecule als zijn oppervlakte. Een zwaarder molecuul met een groter oppervlak zal langzaam diffunderen, terwijl kleinere, lichtere deeltjes sneller zullen diffunderen. Bijvoorbeeld, terwijl zuurstofgas iets sneller zal diffunderen dan kooldioxide, zullen beide sneller bewegen dan jodiumgas.

Diffusiefuncties

diffusie in het menselijk lichaam is noodzakelijk voor de absorptie van verteerde nutriënten, de gasuitwisseling, de propagatie van zenuwimpulsen, de beweging van hormonen en andere metabolieten naar hun doelorgaan en voor bijna elke gebeurtenis in embryonale ontwikkeling.

soorten diffusie

diffusie kan eenvoudige diffusie zijn en worden vergemakkelijkt door een ander molecuul

eenvoudige diffusie

eenvoudige diffusie is slechts de beweging van moleculen langs hun concentratiegradiënt zonder de directe betrokkenheid van andere moleculen. Het kan ofwel de verspreiding van een materiaal door een medium of het vervoer van een deeltje over een membraan. Alle voorbeelden hierboven waren voorbeelden van eenvoudige verspreiding.

het beeld is een eenvoudige representatie van de diffusie van een deeltje in een ander medium.

eenvoudige diffusie is relevant in chemische reacties, in veel fysische verschijnselen, en kan zelfs wereldwijde weerpatronen en geologische gebeurtenissen beïnvloeden. In de meeste biologische systemen, komt de verspreiding over een semi-permeabel membraan voor dat van een lipide bilayer wordt gemaakt. Het membraan heeft poriën en openingen om de passage van specifieke molecules toe te staan.

gefaciliteerde diffusie

anderzijds vereist gefaciliteerde diffusie, zoals de term aangeeft, de aanwezigheid van een ander molecuul (de facilitator) om diffusie te laten plaatsvinden. De Bevorderde verspreiding is noodzakelijk voor de beweging van grote of polaire molecules over hydrophobic lipide bilayer. De Bevorderde verspreiding is noodzakelijk voor de biochemische processen van elke cel aangezien er communicatie tussen diverse subcellular organellen is. Als voorbeeld, terwijl de gassen en de kleine molecules zoals methaan of water vrij over een plasmamembraan kunnen verspreiden, hebben de grotere geladen molecules zoals koolhydraten of nucleic zuren de hulp van transmembrane proteã nen nodig die poriën of kanalen vormen.

de afbeelding toont de beweging van een onoplosbaar molecuul vanuit de extracellulaire ruimte naar het cytoplasma.

omdat het relatief grote openingen in het plasmamembraan zijn, hebben deze geïntegreerde membraaneiwitten ook een hoge specificiteit. Bijvoorbeeld, het kanaal eiwit dat kaliumionen transporteert heeft een veel hogere affiniteit voor dat ion dan een zeer vergelijkbaar natriumion, met bijna dezelfde grootte en lading.

• concentratiegradiënt-geleidelijke afname van de concentratie van een stof, vaak een opgeloste stof in een oplossing. Binnen het leven systemen, wordt deze gradiënt gewoonlijk gezien aan twee kanten van een semi-permeabel lipidemembraan.
• hepatocyten-cellen in het binnenste parenchymale gebied van de lever, die een groot deel van de levermassa uitmaken. Betrokken bij de spijsvertering en het metabolisme van eiwitten, lipiden en koolhydraten. Ze spelen ook een cruciale rol bij de ontgifting van het lichaam.
• integraal membraaneiwit-eiwitten die de breedte van een membraan overspannen en belangrijke structurele en functionele delen van biologische membranen zijn.
• Sublimatie – de omzetting van een materiaal in vaste fase rechtstreeks in gasvormige toestand, zonder een tussenliggende overgang naar vloeibare toestand.

Quiz

1. Welke van deze uitspraken over diffusie van moleculen is waar?
A. Gefaciliteerde diffusie wordt volledig aangedreven door GTP hydrolyse
B. heeft nooit de aanwezigheid van een ander molecuul nodig
C. diffusie van elk molecuul is afhankelijk van zijn concentratiegradiënt en onafhankelijk van de concentratie van andere moleculaire species in het medium
D. al het bovenstaande

2. Als er een koelmiddel in de buurt van de mond van een kroes verhitting jodium hoe zou dat invloed hebben op de snelheid van de diffusie?
A. zou onveranderd blijven
B. verhoging
C. verlaging
D. Het zou afhangen van de aard en temperatuur van het koelmiddel

3. Welke van deze uitspraken is niet waar?
A. grote polaire moleculen kunnen niet diffunderen over een biologisch membraan
B. Koolstofdioxide zou sneller diffunderen dan broomgas
C. geïntegreerde membraaneiwitten die diffusie vergemakkelijken zijn zeer specifiek over hun lading
D. alle bovenstaande

• Mehrer, H. and Stolwijk, N. A. (2005). “Heroes and Highlights in the History of Diffusion”. Diffusie Fundamentals 2, 1.1-1.10.
• Philibert, J. (2009). “One and a Half Century of Diffusion: Fick, Einstein, before and beyond”. Diffusion Fundamentals 11 (1): 1-32.Spaeth, E. E., and Friedlander, S. K. (1967). “The Diffusion of Oxygen, Carbon Dioxide, and inert Gas in stromend bloed”. Biophys J. 7 (6): 827-851.