Difusión Molecular

DIFUSIÓN MOLECULAR

Al caer una gota de tinta en un vaso de agua, se observa una demostración simple de la difusión, es decir dos materiales distintos mezclándose a escala molecular. Sin embargo esto no sólo ocurre entre distintas sustancias, sino que a temperatura ambiente las moléculas de agua están en movimiento continuo desplazándose de un lado a otro. Este movimiento es fácil de visualizar en los líquidos y siendo mucho más complejo visualizarlo en los sólidos. Una de las diferencias entre la difusión en estado líquido y la difusión en estado sólido estriba en la lentitud con que se produce esta en estado sólido.

La mayor parte de las reacciones y procesos más importantes del tratamiento de los materiales se basa en la transferencia de masa, bien dentro de un determinado sólido o bien desde un líquido o un gas en otro sólido. Esta transferencia va acompañada por la difusión que se define como un fenómeno de transporte por movimiento atómico.

Más ampliamente la difusión molecular es el movimiento, bajo la influencia de un estimulo físico, de uno o más componentes a través de una mezcla. La causa más frecuente de la difusión es un gradiente de concentración del componente que difunde. Un gradiente de concentración tiende a mover el componente en una dirección tal que iguale las concentraciones y anule el gradiente. Cuando el gradiente se mantiene mediante el suministro continuo de los componentes de baja y alta concentración, existe un flujo en estado estacionario del componente que se difunde. Esto es característico de muchas operaciones de transferencia de masa. Por ejemplo, cuando se remueve amoníaco de un gas por medio de absorción en agua en una columna empacada, en cada punto en la columna un gradiente de concentración en la fase gaseosa provoca la difusión del amoníaco a la interfase gas líquido, donde se disuelve, y un gradiente en la fase líquida provoca la difusión en la masa líquida. Cuando se extrae un soluto de un líquido, los gradientes se invierten; aquí la difusión conduce al soluto desde la masa líquida a la interfase y de ahí hacia el interior de la fase gaseosa. En algunas otras operaciones de transferencia de masa, tales como la lixiviación y la absorción, tiene lugar la difusión en estado no estacionario, y los gradientes y flujos disminuyen con el tiempo en cuanto se alcanza el equilibrio.

Aunque la causa habitual de la difusión es un gradiente de concentración, en ocasiones la difusión también se origina por un gradiente de actividad, com en la ósmosis inversa, por un gradiente de presión, un gradiente de temperatura o por la aplicación de un campo de fuerza externa como en el caso de la centrífuga.

El fenómeno de la difusión se puede demostrar tomando un par difusor formado por dos metales puestos en contacto a través de sus caras (en este caso tomaremos el cobre y el níquel). Al elevar la temperatura por debajo de su punto de fusión, durante un largo periodo de tiempo, se puede comprobar por análisis químico posterior, que la composición de los metales a cambiado. El extremo del metal níquel, éste sigue siendo puro, pero a medida que nos alejamos de su superficie aumenta la cantidad de cobre y disminuye la de níquel, hasta que tenemos finalmente cobre puro. Esto nos hace ver que los átomos de níquel han difundido hacia el cobre y viceversa.

Función de la difusión molecular en la transferencia de masa

En todas las operaciones e transferencia de masa, la difusión ocurre por lo menos en una fase y con frecuencia en dos fases. En la destilación, el componente menos volátil se difunde a través de la fase liquida hacia la interfase y desde ésta hacia el vapor. El componente más volátil se difunde en dirección contraria y pasa a través del vapor hacia dentro del líquido. En la lixiviación, la difusión del soluto a través de la fase sólida va seguida de la difusión dentro del líquido. En la extracción de líquido, el soluto se difunde a través de la fase de refinado hacia la interfase y después dentro de la fase extracto.

En la cristalización, el soluto se difunde a través del licor madre hacia los cristales y se deposita sobre las superficies sólidas. En la humidificación o deshumificación no existe difusión a través de la fase líquida debido a que la fase líquida es pura y no existe gradiente de concentración a través de ella; pero el vapor difunde hacia o desde la superficie de contacto líquido-gas dentro o fuera de la fase gaseosa. En la separación de membrana la difusión ocurre en todas las fases: en los fluidos sobre cada lado de la membrana y en la membrana misma.

Factores que influyen en el coeficiente de difusión.

Como ya se ha comentado la magnitud del coeficiente D es indicativo de la velocidad del proceso de difusión, por ello los factores que influyan sobre él determinaran la velocidad del proceso.

El tipo de mecanismo de difusión: El hecho de que la difusión sea intersticial o sustitucional afectará la difusividad. Los átomos pequeños pueden difundirse intersticialmente en la red cristalina de átomos mayores del solvente..

La temperatura a la cual ocurre la difusión: Si la temperatura aumenta en el sistema la difusividad también se ve incrementada.

El tipo de imperfecciones cristalinas: La mayoría de estructuras abiertas permiten una difusión más rápida de los átomos. Por ejemplo, la difusión tiene lugar más rápidamente a lo largo de los límites de grano que en la matriz del mismo, en metales y cerámicos. Las vacantes en exceso incrementarán las velocidades de difusión en metales y aleaciones.

La concentración de las especies que se difunden: Las concentraciones mayores de átomos de soluto difundible afectarán la difusividad. Este aspecto de la difusión en el estado sólido es muy complejo.

Primera ley de difusión de Fick

Está ley de es una relación cuantitativa que se enfoca sobre la difusión en dirección perpendicular a la superficie de contacto entre las fases y en una localización definida en el equipo. Se supone que se presenta un estado estacionario, de forma que las concentraciones en un determinado punto no varían con el tiempo. La explicación está restringida a mezclas binarias.

La ecuación para la difusión molecular de masa es la ley de Fick. Se escribe como sigue para una concentración total constante en un fluido:

La velocidad de un proceso de transferencia=a la fuerza impulsadora / la resistencia

Donde

JAZ: es el flujo molar del componente A en la dirección z causado por la difusión molecular, expresado en Kg mol de Als. m^2

DAB: es la difusividad molecular de la molecular de A en B en m^2/s

dcA: es la concentración de A en kg mol/m^3

z:

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