Diffusione di materia: differenze tra le versioni

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[[File:Chemical surface diffusion slow.gif|thumb|Diffusione ordinaria di un componente chimico dalla superficie di un solido fino al ''bulk'' (la parte del solido abbastanza lontana dalle regioni del solido stesso in cui avvengono gli scambi di materia, quantità di moto e calore, da non percepirne gli effetti) del solido stesso]]

{{S|citologia|chimica}}

{{S|fisica}}

In fisica, [[chimica]] e biologia[[fisica]], la '''diffusione di materia''' (o semplicemente '''diffusione molecolare''') è un processoparticolare fenomeno mediante il quale si ha [[Scambio di materia|trasporto di massa]].

== Interdiffusione e autodiffusione ==

Per esempio un caso tipico è la diffusione di un gas entro un altro o di un liquido entro un altro: in questo caso si parla anche di '''interdiffusione'''. Si ha il fenomeno di diffusione anche quando ad esempio, un gas ha [[densità]] diversa da un punto all'altro e si parla di '''autodiffusione'''.

Un esempio di diffusione è dato dalla diffusione di un gas in un altro gas o di un liquido in un altro liquido: in questo caso si parla anche di '''interdiffusione'''.

Prendiamo il caso dell'autodiffusione: si può calcolare il numero di molecole che diffondono attraverso una superficie in un intervallo di tempo, ovvero il [[flusso]] di molecole. Sia <math>dN</math> il numero di molecole che attraversa la superficie <math>dx \, dy</math> nella direzione ''z'' nel tempo <math>dt</math>:

Si ha il fenomeno di diffusione anche quando ad esempio, un gas ha [[densità]] diversa da un punto all'altro per cui le [[Molecola|molecole]] di gas diffondono attraverso il gas stesso: si parla in questo caso di '''autodiffusione'''.

:<math>dN = - D \frac{dn}{dz} dx \, dy \, dt</math>

== Classificazione per meccanismo ==

dove <math>\frac{dn}{dz}</math> è il [[gradiente di concentrazione]], cioè '''n''' è il numero di molecole per unità di [[volume]], quindi la densità o [[concentrazione]] lungo l'asse ''z''. '''D''' è una costante detta [[Coefficiente di diffusione]]. Quindi la diffusione è presente quando vi è un gradiente di concentrazione diverso da zero. Se la temperatura è costante, le molecole hanno la stessa energia e quindi il gradiente di concentrazione equivale all'esistenza di un gradiente di pressione (parziale nel caso di interdiffusione di gas).

Esistono più meccanismi responsabili del fenomeno di diffusione; ciascun meccanismo è modellizzato utilizzando differenti modelli matematici (cioè differenti equazioni).<ref name=sinnott>{{en}} Roy, S., et al., Modeling gas flow through microchannels and nanopores. Journal of Applied Physics, 2003. 93(8): p. 4870-4879</ref>

Alcune tipologie di diffusione di materia sono:<ref name=sinnott/>

* [[diffusione molecolare]]

* [[diffusione di Knudsen]]

* [[diffusione superficiale]]

* [[flusso idrodinamico]]

* [[condensazione capillare]]

* [[flusso viscoso]].

Inoltre nel caso in cui siano presenti entrambi i meccanismi di diffusione molecolare e diffusione di Knudsen si parla di "diffusione di transizione".<ref name=sinnott/>

== Classificazione per forza motrice ==

A seconda della [[forza spingente]] che determina la diffusione, questa può essere distinta in:<ref>{{Cita|Bird|pp. 505-506}}.</ref>

* ''diffusione ordinaria'': se il trasporto di materia è determinato da un gradiente di concentrazione

* ''diffusione termica'': se il trasporto di materia è determinato da un gradiente di temperatura ''([[Termoforesi|Effetto Soret]])''

* ''diffusione per effetto della pressione'': se il trasporto di materia è determinato da un gradiente di pressione

* ''diffusione forzata'': se il trasporto di materia è determinato da forze di diverso tipo che agiscono sui componenti del sistema.

=== Diffusione ordinaria ===

Un esempio di diffusione ordinaria può aversi in un sistema binario (cioè costituito da due componenti) [[soluto]]-[[solvente]] (ovvero una [[soluzione (chimica)|soluzione]]), quando il soluto viene disciolto nel solvente.

Ad esempio si può osservare il fenomeno della diffusione ordinaria introducendo un piccolo [[cristallo]] di [[permanganato di potassio]] (KMnO₄) in un bicchiere contenente acqua. Il permanganato di potassio si comporterà in questo caso da soluto, mentre l'acqua rappresenta il solvente. Il permanganato di potassio, inizialmente solido, sciogliendosi nell'acqua assume una colorazione rossastra, più intensa (rosso vivo) nelle zone in cui è presente con una concentrazione più alta e meno intensa (rosata) nelle zone in cui è presente con una concentrazione minore.<br />

Si osserva sperimentalmente che la macchia rossa si allarga gradualmente nel tempo, e con essa la zona colorata di rosso meno intenso che la circonda: a poco a poco la differenza fra le due diminuisce fino a che la soluzione assume un colore rosato uniforme. Dal punto di vista fisico, si è avuto un fenomeno di diffusione dalla zona a concentrazione maggiore alle zone circostanti a concentrazione minore, ovvero si è in presenza di diffusione ordinaria.<ref>{{Cita|Bird|p. 505}}.</ref><br />

Il tempo necessario perché la soluzione assuma un colore uniforme dipende dalla [[velocità di diffusione]], ovvero dal [[Diffusività di materia|coefficiente di diffusione]] del soluto nel solvente.

=== Diffusione ai lati di una membrana ===

{{vedi anche|Membrana semipermeabile}}

[[File:Membrane9.jpg|thumb|Schematizzazione del processo di diffusione ai lati di una membrana: a sinistra si ha una concentrazione di soluti maggiore, a destra una concentrazione di soluti minore, per cui la diffusione ordinaria di soluto (cioè in assenza di altre forze spingenti oltre al gradiente di concentrazione) avviene da sinistra verso destra. Se il soluto non può passare si ha una diffusione del solvente verso sinistra.]]

Se la concentrazione di massa ai lati di un [[Membrana semipermeabile|setto poroso]] è disuniforme (ovvero se si ha un [[gradiente di concentrazione]]), l'eccesso di massa diffonde spontaneamente dalla regione a concentrazione maggiore a quella a concentrazione minore.<ref>Ovvero si stabilisce un flusso di massa.</ref>

== Trattazione teorica ==

{{vedi anche|Leggi di Fick}}

Prendiamo ilNel caso dell'autodiffusione: molecolare ordinaria si può calcolare il numero di molecole che diffondono attraverso una superficie in un intervallo di tempo, ovvero il [[flusso]] di molecole. Sia <math>dN\operatorname d^3 N</math> il numero di molecole che attraversa la superficie <math>\operatorname dx \, \operatorname dy</math> nella direzione ''z'' nel tempo <math>\operatorname dt</math>:

:<math>\operatorname d^3 N = - D \frac{\operatorname dn}{\operatorname dz} \operatorname dx \, \operatorname dy \, \operatorname dt</math>

dove:

* <math>\frac{\operatorname dn}{\operatorname dz}</math> è il [[gradiente di concentrazione]];

* '''n''' è il numero di molecole per unità di [[volume]], quindi la densità o [[Concentrazione (chimica)|concentrazione]] lungo l'asse ''z'';

* '''D''' è una costante detta [[Diffusività di materia|coefficiente di diffusione di materia]].

dove <math>\frac{dn}{dz}</math> è il [[gradiente di concentrazione]], cioè '''n''' è il numero di molecole per unità di [[volume]], quindiQuindi la densità o [[concentrazione]] lungo l'asse ''z''. '''D''' è una costante detta [[Coefficiente di diffusione]]. Quindi la diffusioneordinaria è presente quando vi è un gradiente di concentrazione diverso da zero. Se la [[temperatura]] è costante, le molecole hanno la stessa energia e, quindi il gradiente di concentrazione equivale all'esistenza di un gradiente di pressione (parziale nel caso di interdiffusione di gas).

== Effetto della temperatura ==

La diffusione è associata al [[Moto browniano|moto casuale]] delle [[specie chimica|specie chimiche]] dovuto all'[[agitazione termica]].

All'aumentare della temperatura il fenomeno dell'agitazione termica è più evidente, per cui il fenomeno della diffusione è agevolato.

== Note ==

<references/>

== Bibliografia ==

* {{cita libro| cognome= Bird | nome= R. Byron | coautori= Warren E. Stewart, Edwin N. Lightfoot | curatore= Enzo Sebastiani | titolo= Fenomeni di trasporto | editore= Casa editrice ambrosiana | città= Milano | anno= 1979 | isbn= 88-408-0051-4 | cid= Bird | url= http://www.libreriauniversitaria.it/fenomeni-trasporto-bird-byron-cea/libro/9788840800516}}

* {{cita libro| Frank P. | Incropera | Fundamentals of Heat and Mass Transfer | 2006 | Wiley | coautori= David P. DeWitt, Theodore L. Bergman, Adrienne S. Lavine | ed= 6 | lingua= inglese |isbn= 0-471-45728-0 }}

== Voci correlate ==

* [[Diffusione superficiale]]

* [[Gradiente di concentrazione]]

* [[Scambio di materia]]

* [[Trasporto attivo]]

* [[Trasporto passivo]]

* [[Diffusività di materia]]

* [[Leggi di Fick]]

* [[Relazione di Einstein–Smoluchowski]]

== Altri progetti ==

{{interprogetto}}

== Collegamenti esterni ==

* {{Collegamenti esterni}}

* {{cita web|http://www.doitpoms.ac.uk/tlplib/diffusion/index.php|Diffusion|lingua=en}}

* {{cita web|1=http://sinnott.mse.ufl.edu/Backgrounds/theo02_diff.html|2=Transport in Small Pores|lingua=en|accesso=3 agosto 2012|urlarchivio=https://web.archive.org/web/20091029090411/http://sinnott.mse.ufl.edu/Backgrounds/theo02_diff.html|dataarchivio=29 ottobre 2009|urlmorto=sì}}

* {{cita web|http://unielettronica.altervista.org/materiale/materiali/Diffusione.pdf|Materiali per l'elettronica - Diffusione}}

* {{cita web | 1 = http://www.itchiavari.org/chimica/lab/mmgas.html | 2 = Determinazione della massa molecolare di un gas in base alla velocità di diffusione | urlmorto = sì }}

{{Controllo di autorità}}

{{portale|chimica|fisica}}

{{SPortale|chimica|fisica}}

[[Categoria:TermodinamicaTrasporto di materia]]

[[Categoria:Chimica fisica]]