Leccion Evaluativa De Masa

Act 4: Lección Evaluativa 1 de masa

Difusión Molecular

El movimiento de una sustancia en el seno de una mezcla binaria, desde puntos de elevadas concentraciones a otros de más bajas, se puede intuir fácilmente.

Para estudiar el mecanismo de transporte de materia puede suponerse un componente cualquiera de la materia considerada, que se transfiere de un punto a otro del sistema que se está estudiando. Esta transferencia de masa puede tener lugar según dos mecanismos, por flujo molecular o advectivo. Cuando existe un gradiente de concentración del componente considerado entre dos puntos del sistema, se produce la transferencia de masa por flujo molecular. Sin embargo, cuando toda la masa se mueve desde un punto hacia el otro, la transferencia se produce por flujo advectivo. Según la naturaleza física del medio considerado pueden presentarse diferentes situaciones, en las que la transferencia de materia se realiza por uno o los dos mecanismos de transporte considerados.

a) Cuando no existe un gradiente de concentración del componente considerado, si el medio es fluido, sólo puede haber transporte advectivo. Pero este tipo de problema se estudia como transporte de cantidad de movimiento y no de materia.

b) Cuando existe un gradiente de concentración del componente, y el medio es un fluido en reposo, la transferencia de materia se realiza por flujo molecular, siendo debida únicamente a la difusión molecular. Así, si se considera un vaso de precipitado que se llena de agua, y en el que se introduce un cristal de un colorante en el fondo del vaso. Se observará que el cristal se disuelve paulatinamente, difundiéndose en todo el vaso, pues la concentración en los alrededores del cristal es superior a las de otras zonas. Esta difusión tiene lugar hasta que se llega al equilibrio.

c) Cuando existe un gradiente de concentración y el medio es un fluido que se mueve en régimen laminar, la transferencia de materia se realiza por los dos mecanismos.

La difusión de un componente debida a la existencia de un gradiente de concentración recibe el nombre de difusión ordinaria. Además, existen otros tipos de difusión, según sea la propiedad que confiere el movimiento al componente de la mezcla; así, si es debida a un gradiente de presión se trata de difusión de presión, si es debida a un gradiente térmico la difusión es térmica, cuando existe una desigualdad de fuerzas externas que provoca dicho movimiento se trata de difusión forzada. El estudio de la difusión resulta más complicado que en los casos de transporte de cantidad de movimiento y energía, pues en la difusión se da el movimiento de una especie en el seno de mezclas. En una mezcla que difunde, las velocidades de los componentes individuales son distintas, debiéndose promediar dichas velocidades para obtener la velocidad local de la mezcla, que es necesaria para poder definir las velocidades de difusión.

De otro lado la difusión es un movimiento de soluto o de solvente, donde la agitación térmica y la diferencia de concentración son las fuerzas impulsoras. El flujo se denomina FLUJO DIFUSIONAL.

Aun cuando la rapidez de difusión de gases, líquidos y sólidos es diferente, en estos últimos suelen ser menores que en los primeros. La transferencia de masa en los sólidos es muy importante en los procesos químicos y biológicos. Algunos ejemplos son la lixiviación de sólidos como la soya y algunos minerales metálicos; el secado de madera, sales y alimentos; la difusión y reacción catalítica en catalizadores sólidos; la separación de fluidos mediante membranas; la difusión de gases a través de ias películas de polímeros usadas en los empaques; y el tratamiento gaseoso de metales a temperaturas elevadas.

En los procesos de transporte molecular, lo que nos ocupa en general es la transferencia o desplazamiento de una propiedad o entidad dada mediante el movimiento molecular a través de un sistema o medio que puede ser un fluido (gas o líquido) o un sólido. Esta propiedad que se transfiere puede ser masa, energía térmica (calor) o momento lineal.

Cada molécula de un sistema tiene una cantidad determinada de la masa, energía térmica o momento lineal asociada a ella, cuando existe una diferencia de concentración de cualquiera de esas propiedades

de una región a otra adyacente, ocurre un transporte neto de esa propiedad. En los fluidos diluidos, como los gases, donde las moléculas están relativamente alejadas entre sí, la velocidad de transporte de la propiedad será relativamente alta puesto que hay pocas moléculas presentes para bloquear el transporte o para interactuar. En fluidos densos, como los líquidos, las moléculas están próximas entre sí y el transporte o la difusión se realizan con más lentitud. En los sólidos, las moléculas están empacadas más estrechamente que en los líquidos y la migración molecular es aun más restringida.

Has click en el siguiente enlace, para ver una de las tantas aplicaciones en las que intervienen los fenomenos de difusión molecular

1 Habiendo llegado a este punto, es necesario señalar que la Ley de Fick es sólo la descripción de algo que ocurre a nivel experimental: Desde el punto de vista termodinámico se puede decir que la concentración es una manifestación de la energía del sistema.

Si aceptamos que un cuerpo rueda por la ladera de una montaña "barranca abajo", a favor de una diferencia de energla potencial, también debemos pensar que, en la difusión, y en todos los fenómenos pasivos, las partículas también van "barranca abajo", a favor de un gradiente de concentración. La energía debida a la concentración puede ser resumida en el término POTENCIAL:

Químico

De ionización

Eléctrico

Humano

2 La definición clásica de difusión dice: "Difusión es el pasaje de una sustancia desde el lugar más concentrado al lugar menos concentrado". Como se puede ver, esto es correcto para el flujo neto, pero también hay difusión con concentraciones:

Diferentes

Bajas

Iguales

Negativas

3 Si dejamos sobre una mesa un recipiente con agua, o con agua y solutos formando una solución verdadera, podemos afirmar, a simple vista, que el agua o la solución están en reposo. Lo anterior a nivel macroscópico.

A nivel molecular o atómico las partículas, ya sean de soluto o de agua están en:

En movimiento, pero a altas temperaturas.

Permanente movimiento

Reposo a 4 grados centigrados

Reposo absoluto

OVA: Difusión Simple

En la Unidad 1 encontramos un OVA (Objeto Virtual de Aprendizaje) sobre un caso simple de difusión molecular que es importante revisar antes de responder la siguiente pregunta.

En este OVA encontrará una ecuación que le permitirá resolver el interrogante planteado más adelante.

Para mayor facilidad seguidamente aparece un enlace que lo conduce a dicha OVA.

Recuerde hacer click derecho sobre el enlace y a continuación seleccionar la opción de "Abrir en una nueva pestaña".

4 De acuerdo con figura 1, que se muestra a continuación:

Figura 1

¿Cuál será la concentración de equilibrio mmol/Leq, una vez se haya retirado la membrana impermeable?

400

250

200

233

EXTRACION

Los procesos típicos en los que no hay una reacción química son, entre otros, secado, evaporación, dilución de soluciones, destilación, extracción, y pueden manejarse por medio de balances de materia con incógnitas y resolviendo posteriormente las ecuaciones para despejar dichas incógnitas.

La difusión de solutos en líquidos es muy importante en muchos procesos industriales, en especial en las operaciones de separación, como extracción líquido-líquido o extracción con disolventes, en la absorción de gases y en la destilación. La difusión en líquidos también es frecuente en la naturaleza, como en los casos de oxigenación de ríos y lagos y la difusión de sales en la sangre.

Resulta evidente que la velocidad de difusión molecular en los líquidos es mucho menor que en los gases. Las moléculas de un líquido están muy cercanas entre sí en comparación con las de un gas, por tanto, las moléculas del soluto A que se difunde chocarán contra las moléculas del líquido B con más frecuencia y se difundirán con mayor lentitud que en los gases. En general, el coeficiente de difusión es de un orden de magnitud 105 veces mayor que en un líquido. No obstante, el flujo específico en un gas no obedece la misma regla, pues es sólo unas 100 veces más rápido, ya que las concentraciones en los líquidos suelen ser considerablemente más elevadas que en los gases.

Para separar uno o más de los componentes de una mezcla, ésta se pone en contacto con otra fase.

Dichas fases pueden ser gas-líquido, vapor-líquido, líquido-líquido o líquido-sólido. Los procesos de separación por extracción líquido-líquido. Otros nombres que también se usan son extracción con líquido o extracción con disolvente.

En la destilación, el líquido se vaporiza parcialmente para crear otra fase, que es un vapor. La separación de los componentes

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