TRANSFERENCIA DE MASAS Y LA LEY DE FICK

TRANSFERENCIA DE MASAS Y LA LEY DE FICK

I). INTRODUCCIÓN

La transferencia de masa como difusión es de gran importancia en la preparación y almacenamiento de sistemas biológicos y en el almacenamiento de sistemas biológicos y en el diseño de órganos artificiales tales como los riñones.

La ósmosis es un fenómeno físico-químico relacionado con el comportamiento del agua, como solvente de una solución ante una membrana semipermeable para el solvente (agua) pero no para los solutos. Tal comportamiento entraña una difusión simple de agua a través de la membrana, sin "gasto de energía". La ósmosis es un fenómeno biológico importante para la fisiología celular de los seres vivos.

La membrana es semipermeable y contiene poros, al igual que cualquier filtro. El tamaño de los poros es tan minúsculo que deja pasar las moléculas pequeñas pero no las grandes (normalmente del tamaño de micras). Por ejemplo, deja pasar las moléculas de agua que son pequeñas, pero no las de azúcar que son más grandes. Si una membrana como la descrita separa un líquido en dos particiones, una de agua pura y otra de agua con azúcar, suceden varias cosas, explicadas a fines del siglo XIX por Van't Hoff y Gibbs empleando conceptos de potencial electroquímico y difusión simple entendiendo que este último fenómeno implica, no sólo el movimiento al azar de las partículas hasta lograr la homogénea distribución de las mismas, sino el equilibrio de los potenciales químicos de ambas particiones. Los potenciales químicos de los componentes de una solución son menores que la suma del potencial de dichos componentes cuando no están ligados en la solución. Este desequilibrio genera un flujo de partículas solventes hacia la zona de menor potencial que se expresa como presión osmótica medible en términos de presión atmosférica, que está en relación directa con la osmolaridad de la solución. El solvente fluirá hacia el soluto hasta equilibrar dicho potencial o hasta que la presión hidrostática equilibre la presión osmótica.

El resultado final es que aunque el agua pasa de la zona de baja concentración a la de alta concentración y viceversa, hay un flujo neto mayor de moléculas de agua que pasan desde la zona de baja concentración a la de alta. Dicho de otro modo, dando el suficiente tiempo, parte del agua de la zona sin azúcar habrá pasado a la de agua con azúcar. El agua pasa de la zona de baja concentración a la de alta concentración. Las moléculas del agua atraviesan la membrana semipermeable desde la disolución de menor concentración: a esto se le llama disolución hipotónica, y a la de mayor concentración, disolución hipertónica. Cuando el paso de agua iguala las dos concentraciones, las disoluciones reciben el nombre de isotónicas. Este movimiento del agua a través de la membrana puede producir que algunas células se arruguen (plasmólisis) por una pérdida excesiva de agua, o bien, se hinchen (turgencia o lisis) por un aumento también excesivo en el contenido celular de agua. Para evitar estas dos situaciones, de consecuencias desastrosas para las células, estas poseen mecanismos para expulsar el agua o los iones mediante un transporte que requiere gasto de energía.

Teniendo en cuenta lo anterior; la transferencia de un constituyente de una región de alta concentración a una baja concentración se llama transferencia de masa. El principio de transferencia de masa, depende de la dinámica del sistema en el que se lleva a cabo. La masa puede transferirse por medio del movimiento molecular fortuito en los fluidos en reposo o puede transferirse de una superficie a un fluido en movimiento, ayudando por las características dinámicas del flujo. Estos dos modos de transferencia de masa: molecular y conectiva, son análogos a la conducción calorífica y a la transferencia convectiva de calor.

Dentro de las mezclas de gases diluidos, cada una de las moléculas de soluto se comporta en forma independiente de las otras moléculas de soluto, ya que rara vez se unen con ellas. Están ocurriendo continuamente colisiones entre el solvente y el soluto. Como resultado de estas colisiones, las moléculas del soluto describen trayectorias en zigzag, a veces hacia una región de mayor concentración, a veces hacia una concentración más baja. Examinemos una sección hipotética que pase en forma normal al gradiente de concentración dentro de una mezcla gaseosa isobárica e isotérmica que contenga moléculas de soluto y solvente.

 Los dos elementos delgados e iguales de volumen que se encuentran sobre y por debajo de la sección contienen el mismo número de moléculas, tal como lo estipula la ley de Avogadro. Aunque no es posible establecer la dirección específica en la que viajará una molécula particular en un intervalo dado de tiempo, puede decirse que un número definido de moléculas que se encuentren en el elemento inferior de volumen cruzará la sección hipotética desde abajo y el mismo número de moléculas abandonará el elemento superior y atravesará la sección desde arriba. Con la existencia del gradiente de concentración, habrá más moléculas de soluto en uno de los electos de volumen que en el otro; así pues, resultará una transferencia total neta de una región de concentración mayor a una de concentración menor. El flujo de cada una de las especies moleculares ocurre en la dirección del gradiente negativo de la concentración. La transferencia de masa molecular que resulta de las diferencias de concentración y a la cual describe la ley de Fick, es el resultado del movimiento molecular fortuito en pequeñas trayectorias medias libres, independientes de las paredes del recipiente.

La difusión tiende a devolver al sistema a su estado de equilibrio, de concentración constante. La ley de Fick nos dice que el flujo difusivo que atraviesa una superficie (J en mol cm-2 s-1) es directamente proporcional al gradiente de concentración. El coeficiente de proporcionalidad se llama coeficiente de difusión (D, en cm2 s-1). Para un sistema discontinuo (membrana que separa dos cámaras) esta ley se escribe:

[pic 3]

Donde; D es el coeficiente de difusión, A el área, Δx es la distancia que separa los puntos en que fueron medidas las concentraciones C1 y C2.

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