definiție difuzie

difuzia este un proces fizic care se referă la mișcarea netă a moleculelor dintr-o regiune de concentrație mare la una de concentrație mai mică. Materialul care difuzează ar putea fi un solid, lichid sau gaz. În mod similar, mediul în care are loc difuzia ar putea fi, de asemenea, într-una din cele trei stări fizice.

una dintre principalele caracteristici ale difuziei este mișcarea moleculelor de-a lungul gradientului de concentrație. Deși acest lucru ar putea fi facilitat de alte molecule, nu implică în mod direct molecule cu energie ridicată, cum ar fi adenozin trifosfat (ATP) sau guanozin trifosfat (GTP).

rata de difuzie depinde de natura interacțiunii dintre mediu și material. De exemplu, un gaz difuzează foarte repede într-un alt gaz. Un exemplu în acest sens este modul în care mirosul nociv al gazului de amoniac se răspândește în aer. În mod similar, dacă o canistră de azot lichid se scurge puțin, gazul de azot care scapă s-ar difuza rapid în atmosferă. Același gaz s-ar difuza puțin mai lent într-un lichid precum apa și cel mai lent într-un solid.

în mod similar, două lichide miscibile se vor difuza, de asemenea, unul în celălalt pentru a forma o soluție uniformă. De exemplu, atunci când apa este amestecată cu glicerol, în timp, cele două lichide difuzează radial unul în celălalt. Acest lucru poate fi observat chiar vizual prin adăugarea de coloranți colorați diferiți la fiecare dintre lichide. Cu toate acestea, același fenomen nu se observă atunci când lichidele nemiscibile precum benzina și apa sunt amestecate împreună. Difuzia are loc încet și numai pe suprafața mică de interacțiune dintre cele două fluide.

Exemple de difuzie

difuzia este o parte importantă a multor procese biologice și chimice. În sistemele biologice, difuzia are loc în fiecare moment, prin membrane în fiecare celulă, precum și prin corp.

de exemplu, oxigenul este la o concentrație mai mare în interiorul arterelor și arteriolelor, în comparație cu nivelurile de oxigen din celulele care respiră activ. Până când sângele curge în capilare în mușchi sau ficat, de exemplu, există doar un singur strat de celule care separă acest oxigen de hepatocite sau fibre musculare scheletice. Printr-un proces de difuzie pasivă, fără implicarea activă a oricărei alte molecule, oxigenul trece prin membrana capilară și intră în celule.

celulele utilizează oxigenul din mitocondrii pentru respirația aerobă, care generează gaz de dioxid de carbon ca produs secundar. Încă o dată, pe măsură ce concentrația acestui gaz crește în interiorul celulei, acesta se difuzează spre exterior spre capilare, unde forța sângelui care curge elimină excesul de gaz din regiunea țesutului. În acest fel, capilarele rămân la o concentrație scăzută de dioxid de carbon, permițând mișcarea constantă a moleculei departe de celule.

acest exemplu arată, de asemenea, că difuzia oricărui material este independentă de difuzia oricărei alte substanțe. Când oxigenul se deplasează spre țesuturi din capilare, dioxidul de carbon intră în sânge.

în procesele chimice, difuzia este adesea principiul central care conduce multe reacții. Ca un exemplu simplu, câteva cristale de zahăr într-un pahar de apă se vor dizolva încet în timp. Acest lucru se întâmplă deoarece există o mișcare netă a moleculelor de zahăr în mediul de apă. Chiar și în reacțiile industriale mari, atunci când două lichide sunt amestecate împreună, difuzia aduce reactanții împreună și permite reacției să se desfășoare fără probleme. De exemplu, unul dintre modurile în care poliesterul este sintetizat este prin amestecarea acidului organic adecvat și a alcoolului în forma lor lichidă. Reacția se desfășoară pe măsură ce cei doi reactanți difuzează unul față de celălalt și suferă o reacție chimică pentru a forma esteri.

factori care afectează difuzia

difuzia este afectată de temperatură, zona de interacțiune, abruptul gradientului de concentrație și dimensiunea particulelor. Fiecare dintre acești factori, independent și colectiv, poate modifica rata și amploarea difuziei.

temperatura

în orice sistem, moleculele se mișcă cu o anumită cantitate de energie cinetică. Acest lucru nu este de obicei direcționat într-un mod special și poate apărea aleatoriu. Când aceste molecule se ciocnesc între ele, există o schimbare a direcției de mișcare, precum și modificări ale impulsului și vitezei. De exemplu, dacă un bloc de gheață uscată (dioxid de carbon în formă solidă) este plasat în interiorul unei cutii, moleculele de dioxid de carbon din centrul blocului se ciocnesc în cea mai mare parte între ele și sunt reținute în masa solidă. Cu toate acestea, pentru moleculele din periferie, moleculele care se mișcă rapid în aer influențează și mișcarea lor, permițându-le să difuzeze în aer. Acest lucru creează un gradient de concentrație, concentrația de dioxid de carbon scăzând treptat odată cu Distanța de la bucata de gheață uscată.

odată cu creșterea temperaturii, energia cinetică a tuturor particulelor din sistem crește. Aceasta crește rata la care se mișcă moleculele de solut și solvent și crește coliziunile. Aceasta înseamnă că gheața uscată (sau chiar gheața obișnuită) se va evapora mai repede într-o zi mai caldă, pur și simplu pentru că fiecare moleculă se mișcă cu o energie mai mare și este mai probabil să scape rapid de limitele unei stări solide.

zona de interacțiune

pentru a extinde exemplul dat mai sus, dacă blocul de gheață carbonică este rupt în mai multe bucăți, zona care interacționează cu atmosfera crește imediat. Numărul de molecule care se ciocnesc doar cu alte particule de dioxid de carbon din gheața uscată scade. Prin urmare, rata de difuzie a gazului în aer crește, de asemenea.

această proprietate poate fi observată și mai bine dacă gazul are miros sau culoare. De exemplu, atunci când iodul este sublimat pe o sobă fierbinte, fumul purpuriu începe să apară și să se amestece cu aerul. Dacă sublimarea se efectuează într-un creuzet îngust, vaporii se difuzează încet spre gura recipientului și apoi dispar rapid. În timp ce sunt limitate la suprafața mai mică din creuzet, rata de difuzie rămâne scăzută.

Acest lucru se observă și atunci când doi reactanți lichizi sunt amestecați unul cu celălalt. Agitarea crește aria de interacțiune dintre cele două substanțe chimice și permite acestor molecule să se difuzeze unul către celălalt mai repede. Reacția continuă spre finalizare într-un ritm mai rapid. Pe o notă similară, orice solut care este rupt în bucăți mici și agitat în solvent se dizolvă rapid – un alt indicator al moleculelor care difuzează mai bine atunci când zona de interacțiune crește.

abruptul gradientului de concentrație

deoarece difuzia este alimentată în primul rând de probabilitatea ca moleculele să se îndepărteze de o regiune de saturație mai mare, rezultă imediat că atunci când mediul (sau solventul) are o concentrație foarte scăzută a solutului, probabilitatea ca o moleculă să se difuzeze departe de zona centrală este mai mare. De exemplu, în exemplul privind difuzia gazului de iod, dacă creuzetul este plasat într-un alt recipient închis și cristalele de iod sunt încălzite pentru o perioadă lungă de timp, viteza cu care gazul purpuriu pare să dispară la gura creuzetului se va reduce. Această încetinire aparentă se datorează faptului că, în timp, recipientul mai mare începe să aibă suficient gaz de iod încât o parte din acesta se va deplasa înapoi spre creuzet. Chiar dacă aceasta este o mișcare aleatorie nedirecționată, cu un volum mare, poate crea un scenariu în care nu există o mișcare netă de gaz din container.

dimensiunea particulelor

la orice temperatură dată, difuzia unei particule mai mici va fi mai rapidă decât cea a unei molecule de dimensiuni mai mari. Aceasta este legată atât de masa moleculei, cât și de suprafața acesteia. O moleculă mai grea cu o suprafață mai mare se va difuza încet, în timp ce particulele mai mici și mai ușoare se vor difuza mai repede. De exemplu, în timp ce gazul de oxigen se va difuza puțin mai repede decât dioxidul de carbon, ambele se vor mișca mai repede decât gazul de iod.

funcțiile de difuzie

difuzia în corpul uman este necesară pentru absorbția nutrienților digerați, schimbul de gaze, propagarea impulsurilor nervoase, mișcarea hormonilor și a altor metaboliți către organul țintă și pentru aproape fiecare eveniment din dezvoltarea embrionară.

tipuri de difuzie

difuzia poate fi difuzie simplă și poate fi facilitată de o altă moleculă

difuzie simplă

difuzia simplă este doar mișcarea moleculelor de-a lungul gradientului lor de concentrație fără implicarea directă a altor molecule. Poate implica fie răspândirea unui material printr-un mediu, fie transportul unei particule pe o membrană. Toate exemplele de mai sus au fost cazuri de difuzie simplă.

imaginea este o reprezentare simplă a difuziei unei particule într-un alt mediu.difuzia simplă este relevantă în reacțiile chimice, în multe fenomene fizice și poate influența chiar modelele meteorologice globale și evenimentele geologice. În majoritatea sistemelor biologice, difuzia are loc pe o membrană semipermeabilă formată dintr-o bistrat lipidic. Membrana are pori și deschideri pentru a permite trecerea moleculelor specifice.

difuzie facilitată

pe de altă parte, difuzia facilitată, așa cum indică termenul, necesită prezența unei alte molecule (facilitatorul) pentru ca difuzia să aibă loc. Difuzia facilitată este necesară pentru mișcarea moleculelor mari sau polare pe bistratul lipidic hidrofob. Difuzia facilitată este necesară pentru procesele biochimice ale fiecărei celule, deoarece există comunicare între diferite organite subcelulare. De exemplu, în timp ce gazele și moleculele mici, cum ar fi metanul sau apa, pot difuza liber pe o membrană plasmatică, moleculele încărcate mai mari, cum ar fi carbohidrații sau acizii nucleici, au nevoie de ajutorul proteinelor transmembranare care formează pori sau canale.

imaginea arată mișcarea unei molecule insolubile din spațiul extracelular spre citoplasmă.

deoarece sunt deschideri relativ mari în membrana plasmatică, aceste proteine membranare integrale au, de asemenea, o specificitate ridicată. De exemplu, proteina de canal care transportă ionii de potasiu are o afinitate mult mai mare pentru acel ion decât un ion de sodiu foarte similar, cu aproape aceeași dimensiune și încărcare.

• gradient de concentrație – scăderea treptată a concentrației unei substanțe, adesea un solut într-o soluție. În cadrul sistemelor vii, acest gradient este de obicei văzut pe două laturi ale unei membrane lipidice semipermeabile.
• hepatocite-celule din regiunea parenchimală interioară a ficatului, care reprezintă o proporție mare de masă hepatică. Implicat în digestia și metabolismul proteinelor, lipidelor și carbohidraților. Ele joacă, de asemenea, un rol crucial în detoxifierea organismului.
• proteină membranară integrală – proteine care se întind pe lățimea unei membrane și sunt părți structurale și funcționale importante ale membranelor biologice.
• sublimare-conversia unui material în faza sa solidă direct în stare gazoasă, fără o tranziție care intervine în stare lichidă.

test

1. Care dintre aceste afirmații despre difuzarea moleculelor este adevărată?
A. Difuzia facilitată este alimentată în întregime de hidroliza GTP
B. niciodată nu are nevoie de prezența oricărei alte molecule
C. difuzia fiecărei molecule este dependentă de gradientul său de concentrație și independentă de concentrația altor specii moleculare din mediu
D. toate cele de mai sus

2. Dacă ar exista un lichid de răcire lângă gura unui creuzet care încălzește iodul, cum i-ar afecta rata de difuzie?
A. ar rămâne neschimbat
B. creștere
C. scădere
D. Aceasta ar depinde de natura și temperatura lichidului de răcire

3. Care dintre aceste afirmații nu este adevărată?
A. moleculele polare mari nu pot difuza pe o membrană biologică
B. Dioxidul de Carbon s-ar difuza mai repede decât gazul brom
C. proteinele membranare integrale care facilitează difuzia sunt foarte specifice cu privire la încărcătura lor
D. toate cele de mai sus