Gradient de concentrație

În chimie , gradientul de concentrație este gradientul asociat cu o diferență de concentrație a aceleiași specii chimice între două volume adiacente, care poate fi stabilită la interfața dintre două faze , de exemplu la capetele unei membrane semipermeabile . În cazul în care specia chimică în cauză este un ion, vorbim mai precis despre un gradient ionic .

Transportul materiei asociat cu un gradient de concentrație

Gradientul de concentrație poate acționa ca un salt motor pentru mecanismele de transport ale materiei , generând un flux de materie care are loc de-a lungul direcției în care variația concentrației speciilor transportate este mai mare.

Prima lege a lui Fick permite cunoașterea vitezei de schimb a materiei (și, prin urmare, fluxul, notați zona de schimb), în timp ce a doua lege a lui Fick permite cunoașterea direcției fluxului.

În special, legea lui Fick este exprimată astfel:

J=-D\nabla C=-D\cdot \left({\partial C \over \partial x}+{\partial C \over \partial y}+{\partial C \over \partial z}\right)

{\ displaystyle J = -D \ nabla C = -D \ cdot \ left ({\ partial C \ over \ partial x} + {\ partial C \ over \ partial y} + {\ partial C \ over \ partial z} \ dreapta)}

{\ displaystyle J = -D \ nabla C = -D \ cdot \ left ({\ partial C \ over \ partial x} + {\ partial C \ over \ partial y} + {\ partial C \ over \ partial z} \ dreapta)}

in care:

$J$ ${\ displaystyle J}$ $J$ : flux difuziv, exprimabil în [mol · m ⁻² s ⁻¹ ] sau [kg · m ⁻² s ⁻¹ ]
$D.$ ${\ displaystyle D}$ $D.$ : coeficient de difuzie sau difuzivitate a materiei , exprimat în [m ² · s ⁻¹ ]
$C.$ ${\ displaystyle C}$ $C.$ : concentrație, exprimată în [mol · m ⁻³ ] sau [kg · m ⁻³ ]
∇: operator nabla
$\nabla C$ ${\ displaystyle \ nabla C}$ ${\ displaystyle \ nabla C}$ : gradient de concentrație.

Echilibrul concentrațiilor

Speciile chimice au tendința naturală de a reechilibra concentrațiile lor în două soluții aduse în contact. Dacă este posibil să traverseze membrana dintre cele două compartimente, speciile tind să migreze de la soluție unde sunt mai concentrate la cea în care concentrația lor este mai mică (de-a lungul direcției în care apare gradientul de concentrație). Dacă, pe de altă parte, membrana este semipermeabilă (adică permite doar trecerea solventului, dar nu și dizolvatul ), atunci solventul se deplasează din compartimentul în care soluția este mai puțin concentrată la cea în care concentrația este mai mare, pentru a încerca să diluați ultima soluție.

Rolul în biologie

Gradientul de concentrație este una dintre principalele metode de conversie a energiei potențiale chimice în energie mecanică și, prin urmare, este deseori exploatat de organismele vii pentru a îndeplini numeroase funcții biologice, inclusiv:

Respirația celulară : în interiorul mitocondriului , un anumit mecanism (condus de coenzima Q ) facilitează formarea unui gradient de concentrație de protoni între membranele sale, astfel încât acestea să fie mai concentrate în spațiul dintre membrana interioară și membrana externă, mai degrabă decât în matricea mitocondrială. Prin urmare, se creează un gradient de concentrație, cu ionii H ⁺ care tind să revină puternic la matrice: pentru a face acest lucru, neputând traversa membrana internă datorită încărcării lor, protonii trebuie să exploateze în mod necesar singurele canale care se găsesc. pe membrana însăși, adică molecule speciale numite ATP sintază care, exploatând energia determinată de trecerea ionilor în interiorul lor, efectuează fosforilarea ADP în ATP .
Echilibrul bicarbonatului în rinichi : pentru a reabsorbi bicarbonatul (HCO 3 ^- ) din rinichi în plasmă , celulele tubulare îl schimbă cu o moleculă de clor (Cl ^- , de sarcină electrică egală), care tinde spontan să intre în celulă, prin mijlocul unei proteine de schimb. În mod similar, ionul H ⁺ care fusese reabsorbit în lumenul tubular împreună cu bicarbonatul este reintrodus în preurină prin intermediul unui schimbător analog care permite unei molecule de Na ⁺ să intre în locul său, din nou în funcție de gradientul de concentrație.

Bibliografie

(EN) Robert Byron, Warren E. Stewart; Edwin N. Lightfoot, Transport Phenomena , ediția a doua, New York, Wiley, 2005, ISBN 0-470-11539-4 .
( EN ) Frank P. Incropera, David P. DeWitt; Theodore L. Bergman; Adrienne S. Lavine, Fundamentals of Heat and Mass Transfer , ediția a VI-a, Wiley, 2006, ISBN 0-471-45728-0 .

Elemente conexe

linkuri externe

( RO ) IUPAC Gold Book, „Gradient de concentrare” , pe goldbook.iupac.org .

Portalul chimiei

Portalul de fizică