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Difusão

Última atualização em 19 de agosto de 2022

Definição de difusão

A difusão é um processo físico que se refere ao movimento líquido de moléculas de uma região de alta concentração para uma concentração mais baixa. O material que difunda pode ser um sólido, líquido ou gás. Da mesma forma, o meio em que a difusão ocorre também pode estar em um dos três estados físicos.

Uma das principais características da difusão é o movimento de moléculas ao longo do gradiente de concentração. Embora isso possa ser facilitado por outras moléculas, ele não envolve diretamente moléculas de alta energia, como a adenosina trifosfato (ATP) ou trifosfato de guanosina (GTP).

A taxa de difusão depende da natureza da interação entre o meio e o material. Por exemplo, um gás se difunde muito rapidamente em outro gás. Um exemplo disso é a maneira como o cheiro nocivo de gás de amônia se espalha no ar. Da mesma forma, se um recipiente de nitrogênio líquido vazar um pouco, o gás nitrogênio que escapa se difundia rapidamente na atmosfera. O mesmo gás difundia um pouco mais lentamente em um líquido, como a água e mais lento em um sólido.

Da mesma forma, dois líquidos miscíveis também se difundirão para formar uma solução uniforme. Por exemplo, quando a água é misturada com glicerol, com o tempo os dois líquidos se difundem radialmente um no outro. Isso pode até ser observado visualmente pela adição de diferentes corantes coloridos a cada um dos líquidos. No entanto, o mesmo fenômeno não é visto quando líquidos imiscíveis como gasolina e água são misturados. A difusão ocorre lentamente e apenas através da pequena superfície de interação entre os dois fluidos.

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A difusão é uma parte importante de muitos processos biológicos e químicos. Nos sistemas biológicos, a difusão ocorre a cada momento, entre membranas em todas as células e através do corpo.

Por exemplo, o oxigênio está em uma concentração mais alta dentro das artérias e arteríolas, quando comparadas com os níveis de oxigênio nas células respiratórias ativamente. Quando o sangue flui para capilares no músculo ou no fígado, por exemplo, há apenas uma única camada de células que separam esse oxigênio de hepatócitos ou fibras musculares esqueléticas. Através de um processo de difusão passiva, sem o envolvimento ativo de qualquer outra molécula, passa o oxigênio pela membrana capilar e entra nas células.

As células utilizam oxigênio nas mitocôndrias para a respiração aeróbica, que gera gás de dióxido de carbono como subproduto. Mais uma vez, à medida que a concentração desse gás aumenta dentro da célula, ele se difunde para fora em direção aos capilares, onde a força do sangue fluindo remove o excesso de gás da região do tecido. Dessa forma, os capilares permanecem em uma concentração de dióxido de baixo carbono, permitindo o movimento constante da molécula longe das células.

Este exemplo também mostra que a difusão de qualquer material é independente da difusão de quaisquer outras substâncias. Quando o oxigênio está se movendo para os tecidos dos capilares, o dióxido de carbono está entrando na corrente sanguínea.

Nos processos químicos, a difusão é frequentemente o princípio central que impulsiona muitas reações. Como exemplo simples, alguns cristais de açúcar em um copo de água se dissolverão lentamente ao longo do tempo. Isso ocorre porque há um movimento líquido de moléculas de açúcar no meio de água. Mesmo em grandes reações industriais, quando dois líquidos são misturados, a difusão une os reagentes e permite que a reação prossiga sem problemas. Por exemplo, uma das maneiras pelas quais o poliéster é sintetizado é misturar o ácido orgânico e o álcool apropriados em sua forma líquida. A reação prossegue à medida que os dois reagentes se difundem e passam por uma reação química para formar ésteres.

Fatores que afetam a difusão

A difusão é afetada pela temperatura, área de interação, inclinação do gradiente de concentração e tamanho de partícula. Cada um desses fatores, de forma independente e coletiva, pode alterar a taxa e a extensão da difusão.

Temperatura

Em qualquer sistema, as moléculas estão se movendo com uma certa quantidade de energia cinética. Isso geralmente não é direcionado de maneira específica e pode parecer aleatória. Quando essas moléculas colidem entre si, há uma mudança na direção do movimento, bem como mudanças no momento e na velocidade. Por exemplo, se um bloco de gelo seco (dióxido de carbono em forma sólida) for colocada dentro de uma caixa, as moléculas de dióxido de carbono no centro do bloco colidem principalmente entre si e são retidas dentro da massa sólida. No entanto, para moléculas na periferia, as moléculas em movimento rapidamente no ar também influenciam seu movimento, permitindo que se difundam no ar. Isso cria um gradiente de concentração, com a concentração de dióxido de carbono diminuindo gradualmente com a distância do pedaço de gelo seco.

Com o aumento da temperatura, a energia cinética de todas as partículas no sistema aumenta. Isso aumenta a taxa na qual as moléculas de soluto e solvente se movem e aumenta as colisões. Isso significa que o gelo seco (ou mesmo o gelo regular) evaporará mais rápido em um dia mais quente, simplesmente porque cada molécula está se movendo com maior energia e tem maior probabilidade de escapar rapidamente dos limites de um estado sólido.

Área de interação

Para estender o exemplo dado acima, se o bloco de gelo seco for dividido em vários pedaços, a área que interage com a atmosfera aumenta imediatamente. O número de moléculas que apenas colidem com outras partículas de dióxido de carbono dentro do gelo seco diminui. Portanto, a taxa de difusão do gás no ar também aumenta.

Essa propriedade pode ser observada ainda melhor se o gás tiver um odor ou cor. Por exemplo, quando o iodo é sublimado sobre um fogão quente, a fumaça roxa começa a aparecer e se mistura com o ar. Se a sublimação for realizada em um cadinho estreito, os fumos se difundem lentamente para a boca do recipiente e depois desaparecem rapidamente. Enquanto estão confinados à área de superfície menor dentro do crisol, a taxa de difusão permanece baixa.

Isso também é visto quando dois reagentes líquidos são misturados entre si. A agitação aumenta a área de interação entre os dois produtos químicos e permite que essas moléculas se difundam mais rapidamente. A reação prossegue para a conclusão a uma taxa mais rápida. Em uma nota semelhante, qualquer soluto quebrado em pequenos pedaços e agitado no solvente se dissolve rapidamente – outro indicador de moléculas se difunde melhor quando a área de interação aumenta.

Inclinação do gradiente de concentração

Como a difusão é alimentada principalmente pela probabilidade de as moléculas se afastarem de uma região de maior saturação, segue -se imediatamente que, quando o meio (ou solvente) tem uma concentração muito baixa do soluto, a probabilidade de uma molécula se difundindo para longe da área central é maior que. Por exemplo, no exemplo sobre a difusão do gás iodo, se o cadinho for colocado em outro recipiente fechado e os cristais de iodo são aquecidos por um longo período de tempo, a taxa na qual o gás roxo parece ‘desaparecer’ na foz da O CRUCULE RUBERÁ. Essa desaceleração aparente se deve ao fato de que, com o tempo, o recipiente maior começa a ter gás de iodo suficiente para que parte dele estará se movendo “para trás” em direção ao cadinho. Embora esse seja um movimento aleatório não direcionado, com um grande volume, ele pode criar um cenário em que não há movimento líquido de gás do recipiente.

Tamanho da partícula

Em qualquer temperatura, a difusão de uma partícula menor será mais rápida que a de uma molécula de tamanho maior. Isso está relacionado à massa da molécula e à sua área de superfície. Uma molécula mais pesada com uma área de superfície maior será difundida lentamente, enquanto partículas menores e mais claras se difundirão mais rapidamente. Por exemplo, enquanto o gás de oxigênio se difunde um pouco mais rapidamente que o dióxido de carbono, ambos se moverão mais rapidamente que o gás iodo.

Funções de difusão

A difusão no corpo humano é necessária para a absorção de nutrientes digeridos, troca gasosa, a propagação de impulsos nervosos, o movimento de hormônios e outros metabólitos em relação ao órgão -alvo e para quase todos os eventos no desenvolvimento embrionário.

Tipos de difusão

A difusão pode ser uma difusão simples e ser facilitada por outra molécula

Difusão simples

A difusão simples é apenas o movimento das moléculas ao longo de seu gradiente de concentração sem o envolvimento direto de nenhuma outra molécula. Pode envolver a disseminação de um material através de um meio ou o transporte de uma partícula através de uma membrana. Todos os exemplos dados acima foram casos de difusão simples.

A imagem é uma representação simples da difusão de uma partícula em outro meio.

A difusão simples é relevante nas reações químicas, em muitos fenômenos físicos, e pode até influenciar os padrões climáticos globais e os eventos geológicos. Na maioria dos sistemas biológicos, a difusão ocorre em uma membrana semi-permeável feita de bicamada lipídica. A membrana possui poros e aberturas para permitir a passagem de moléculas específicas.

Difusão facilitada

Por outro lado, a difusão facilitada, como o termo indica, requer a presença de outra molécula (o facilitador) para que a difusão ocorra. A difusão facilitada é necessária para o movimento de moléculas grandes ou polares através da bicamada lipídica hidrofóbica. A difusão facilitada é necessária para os processos bioquímicos de todas as células, pois há comunicação entre várias organelas subcelulares. Como exemplo, enquanto gases e pequenas moléculas como metano ou água podem se difundir livremente através de uma membrana plasmática, moléculas maiores carregadas, como carboidratos ou ácidos nucleicos, precisam da ajuda de proteínas transmembranares que formam poros ou canais.

A imagem mostra o movimento de uma molécula insolúvel do espaço extracelular em direção ao citoplasma.

Como são aberturas relativamente grandes na membrana plasmática, essas proteínas da membrana integral também têm alta especificidade. Por exemplo, a proteína do canal que transporta íons de potássio tem uma afinidade muito maior por esse íon do que um íon de sódio muito semelhante, com quase o mesmo tamanho e carga.

Termos de biologia relacionados

  • Gradiente de concentração – diminuição gradual na concentração de uma substância, geralmente um soluto em uma solução. Nos sistemas vivos, esse gradiente geralmente é visto em dois lados de uma membrana lipídica semi-permeável.
  • Hepatócitos – células na região parenquimatosa interna do fígado, criando uma grande proporção da massa hepática. Envolvidos na digestão e metabolismo de proteínas, lipídios e carboidratos. Eles também desempenham um papel crucial na desintoxicação do corpo.
  • Proteína da membrana integral – proteínas que abrangem a largura de uma membrana e são importantes partes estruturais e funcionais das membranas biológicas.
  • Sublimação – A conversão de um material em sua fase sólida diretamente no estado gasoso, sem uma transição interveniente para o estado líquido.

Questionário

1. Qual dessas declarações sobre difusão de moléculas é verdadeira? A. A difusão facilitada é alimentada inteiramente pela hidrólise do GTP B. Nunca precisa da presença de qualquer outra molécula C. A difusão de cada molécula depende de seu gradiente de concentração e independentemente da concentração de outras espécies moleculares no meio D. Todos os acima dos acima acima

Resposta à pergunta nº 1

C está correto. O movimento de uma molécula ao longo de seu gradiente de concentração não é afetado pelos gradientes de concentração de outras substâncias no mesmo meio.

2. Se houvesse um líquido de arrefecimento perto da boca de um iodo de aquecimento cadinho, como isso afetaria sua taxa de difusão? A. permaneceria inalterado B. Aumentar C. diminuir D. Dependeria da natureza e da temperatura do líquido de arrefecimento

Resposta à pergunta nº 2

C está correto. A presença de um líquido de arrefecimento na boca do cadinho diminuiria a temperatura do gás iodo. Isso reduziria a taxa de difusão.

3. Qual dessas declarações não é verdadeira? A. grandes moléculas polares não podem se difundir em uma membrana biológica B. O dióxido de carbono se difundiria mais rapidamente que o gás de bromo C. proteínas da membrana integral que facilitam a difusão são altamente específicas sobre sua carga D. Todas as opções acima

Resposta à pergunta nº 3

A está correto. As moléculas polares podem se difundir entre as membranas, mas precisam da presença de um canal ou proteína transmembranar. O dióxido de carbono é mais leve que o bromo e, portanto, se difundaria mais rapidamente.

Referências

  • Mehrer, H. e Stolwijk, N. A. (2005). “Heróis e destaques na história da difusão”. Fundamentos de difusão 2, 1.1–1.10.
  • Philibert, J. (2009). “Um século e meio de difusão: Fick, Einstein, antes e além”. Fundamentos de difusão 11 (1): 1-32.
  • Spaeth, E. E. e Friedlander, S.K. (1967). ”A difusão de oxigênio, dióxido de carbono e gás inerte no sangue fluido”. Biophys J. 7 (6): 827-851.

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