¿Qué es la difusión?

La difusión de átomos y moléculas en un cierto medio, sea en un gas, un líquido o un sólido, es un proceso físico mediante el cual tiende a haber un desplazamiento de estas partículas dentro del medio de un lugar de mayor concentración hacia otro donde la concentración es menor, hasta que la concentración es la misma en todo el medio. Estas variaciones espaciales de concentración en un cierto medio se denominan gradientes de concentración. La difusión está asociada a estos gradientes de concentración y a la temperatura del medio.

¿Cómo se genera la difusión?

La difusión está generada por el movimiento de átomos y moléculas asociado a la temperatura. En un gas, la temperatura está asociada a la energía cinética de las partículas, a la energía con la cual se mueven los átomos y moléculas del gas. En un sólido, como por ejemplo en un cristal, la temperatura está asociada a la energía con la cual los átomos y moléculas vibran en esa estructura cristalina.

La idea de difusión se puede ver claramente en un gas. El movimiento aleatorio y en todas las direcciones de átomos y moléculas en una mezcla de gases, a grandes velocidades, genera su mezcla produciendo un flujo neto de partículas desde un lugar de mayor concentración hacia otro de menor concentración.

En la figura siguiente se observa un esquema que ayuda a entender el concepto de difusión. En el primer cuadro hay dos gases separados por un tabique: el tabique se retira y se tiene un medio en el que la concentración de uno de los gases es 0 al otro lado de donde se ubicaba el tabique. El movimiento aleatorio de las partículas (la línea roja representa el movimiento de una de las partículas grises) hace que haya un desplazamiento neto de las partículas grises hacia la zona de las partículas negras y viceversa. Finalmente, en el cuadro 3 la concentración de ambas partículas es la misma en todo el medio y ya no se observa un desplazamiento neto de partículas, a pesar de que todas las partículas se siguen moviendo en forma aleatoria.

La velocidad de difusión, es decir, la velocidad en la que se observa una transferencia neta de partículas de un lugar a otro del medio, será mayor cuanto mayor sea la temperatura, o sea, cuanto mayor sea la energía que impulsa este fenómeno físico. Y también se incrementará cuanto mayor sea la diferencia de concentración. La velocidad de difusión también depende de la masa de las partículas y, en el caso de un fluido, de su viscosidad, factores que se expresan, junto a la temperatura, en el denominado coeficiente de difusión D. Este fenómeno físico está expresado por las dos leyes de Fick.

La difusión es un proceso físico que no requiere un aporte extra de energía, ya que está asociado a la energía térmica que ya tiene el medio, expresada por la temperatura. Es un aspecto fundamental de este mecanismo físico, ya que la difusión forma parte de muchos procesos naturales tales como la difusión de solutos, líquidos y gases a través de las membranas celulares.

La ósmosis

La ósmosis, u osmosis, es la difusión a través de una membrana semipermeable: un tabique que tiene orificios muy pequeños, del orden de los micrómetros, que permiten seleccionar el pasaje de moléculas según su tamaño. Como muestra la figura siguiente: las moléculas azules, las de agua, pueden pasar por los orificios de la membrana pero las moléculas verdes, las de un soluto como el azúcar, no.

La presencia de un soluto que no puede atravesar la membrana, o sea, las moléculas de azúcar (verdes), genera una tendencia de las moléculas que sí pueden atravesarla, es decir, las de agua (azules), a moverse en la dirección de la solución, siguiendo la flecha rosa, para tratar de igualar las concentraciones a ambos lados de la membrana. En la figura no hay soluto en la cubeta izquierda, pero el proceso sigue siendo válido cuando hay una solución con diferente concentración a ambos lados de la membrana. En este caso tendremos una solución hipotónica en la cubeta con baja concentración del soluto y una solución hipertónica en la de alta concentración de soluto.

Esta tendencia de las moléculas de agua a pasar hacia la cubeta de mayor concentración genera una presión en esa dirección, la cual se denomina presión osmótica. Cuando el pasaje de las moléculas de agua logra igualar la concentración en ambas cubetas se tienen soluciones isotónicas; aún cuando las moléculas de agua siguen pasando a través de la membrana no hay una tendencia neta en ninguno de los dos sentidos.

Si se colocan ambas soluciones en tubos abiertos, como muestra la figura siguiente, veremos que la rama con la solución de mayor concentración se elevara respecto de la otra; esto se debe a la presión osmótica en la membrana.

Si en un sistema como el descrito esquemáticamente en la figura anterior se somete a la solución de mayor concentración a una presión que actúe en contra de la presión osmótica, se puede lograr un flujo neto de agua a través de la membrana en la dirección de la rama de menor concentración. Se lo puede concebir como un proceso inverso a la ósmosis, por lo que se lo denomina ósmosis inversa. Este proceso se utiliza en mecanismos de purificación de agua.

Algunos ejemplos de difusión en procesos naturales

Uno de los procesos fundamentales para la vida es la respiración. Los procesos asociados a la respiración incluyen la difusión de gases, la difusión de oxígeno en la sangre y la eliminación de dióxido de carbono, que también se da por difusión. En los pulmones, el dióxido de carbono difunde desde la sangre hasta el aire que luego se exhala, proceso que se desarrolla en los alvéolos pulmonares. Luego de eliminar el dióxido de carbono, los glóbulos rojos incorporan el oxígeno que difunde desde el aire a la sangre.

En las células se produce el intercambio inverso: el dióxido de carbono y los desechos de los procesos celulares difunden desde las células de los tejidos a la sangre, mientras que el oxígeno, la glucosa y otros nutrientes de la sangre difunden a los tejidos. Estos procesos de difusión se producen en los capilares del sistema de circulación de la sangre.

En las células y tejidos vegetales también se observan mecanismos de difusión asociados a diversos procesos. La fotosíntesis que se produce en las hojas de las plantas tiene asociada la difusión de gases: el dióxido de carbono del aire y la energía solar se transforman en glucosa y oxígeno. El dióxido de carbono difunde desde el aire hacia las hojas a través de pequeños orificios llamados estomas. Y el oxígeno que se produce en la fotosíntesis difunde desde las hojas al aire también a través de los estomas.

La difusión de moléculas de gran tamaño, como la glucosa, por membranas celulares, se produce a través de la denominada difusión facilitada. Estas moléculas pasan a través de las membranas con la ayuda de proteínas transportadoras, canales de proteínas incrustados en las membranas celulares que representan aberturas que permiten solo el pasaje de moléculas con cierto tamaño y forma. El proceso de difusión facilitado tampoco requiere de energía extra, por lo que también se lo considera transporte pasivo, al igual que la difusión directa.

Se pueden encontrar mecanismos osmóticos en procesos de reabsorción de agua en los túbulos de los riñones y en la reabsorción de líquidos en los capilares tisulares. La incorporación de agua en las raíces de las plantas se produce por ósmosis, proceso muy importante también para su estabilidad. Cuando las plantas se marchitan se debe a la falta de agua en sus vacuolas; las vacuolas mantienen rígidas las estructuras de las plantas al incorporar agua y ejercer presión osmótica a través de las membranas celulares.

Fuentes

Bokshtein, B. S. Mendelev, M. I. Srolovitz, D. J. editores. Thermodynamics and Kinetics in Materials Science: A Short Course. Thermodynamics and Kinetics in Materials Science: A Short Course. Oxford University Press, Oxford, 2005.

Philibert, J. One and a half century of diffusion: Fick, Einstein, before and beyond. Diffusion Fundamentals 2, 2005.