Données de physique utilisées en biologie/La diffusion

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Définition

La diffusion est le phénomène d’homogénéisation des mélanges fluides de type solutions.

La diffusion à partir de concentrations différentes d'un ou plusieurs solutés des différentes parties d'un mélange fluide donne un mélange dans lequel les concentrations d'un soluté ou de plusieurs solutés sont les mêmes en tout point.

L'état final est une solution puisqu'une solution montre par définition une homogénéité des concentrations en tout point.

L'homogénéité des concentrations de tous les solutés implique que la concentration globale en tout point est la même puisque la concentration globale est la somme des concentrations en chacun des solutés.

Les étapes d'une diffusion

Soit un mélange constitué d'eau et d'une particule soluble dans lequel au centre il existe une zone où la solution a une concentration non nulle, le reste étant constitué uniquement d'eau.

En considérant une région de contact entre la solution et l'eau pure. L'agitation moléculaire qui caractérise les milieux fluides va permettre des déplacements des particules du mélange.

En considérant le soluté, les mouvements dus à l'agitation moléculaire sont aléatoires (dus au hasard). Ainsi, la probabilité qu'une particule de soluté passe de la solution dans la zone d'eau pure est non nulle alors que celle du transfert de soluté de l'eau libre vers la solution est nulle puisque dans l'eau pure il n'y a pas de soluté : donc, des particules de soluté s'écartent de la zone de solution à la "conquête" de l'espace d'eau pure qui, de ce fait devient, une solution de faible concentration. Comme le soluté augmente son volume de dispersion alors la diffusion commence.

Entre deux zones de solution de concentrations différentes, les particules de soluté de la zone la plus concentrée ont une probabilité plus grande de passer dans la zone de concentration la plus faible que la probabilité de passage des particules de soluté de la zone de solution la moins concentrée vers celle de solution la plus concentrée : il y a plus de particules qui passent de la zone la plus concentrée vers la zone la moins concentrée que de particules passant dans l'autre sens. Globalement, les particules de soluté passent de la zone la plus concentrée vers la zone la moins concentrée (somme algébrique des transferts). Si on reprend le point de départ le phénomène est le même puisqu'une zone de concentration non nulle est plus concentrée qu'une zone de concentration nulle (l'eau pure).

À l'évidence, le phénomène de transfert global du soluté des zones de concentration supérieure vers les zones de concentration inférieure, s'arrêteront quand les concentrations en tout point seront identiques. La diffusion tend bien vers l'homogénéisation du mélange donc vers l'obtention d'une solution.

Dire que le transfert global est nul ne veut pas dire que les transferts entre deux zones voisines le soient. Ces transferts élémentaires sont (algébriquement) opposés : ils se font avec la même intensité (même flux) dans les deux sens. Si à un instant (par définition bref) ils ne sont pas strictement opposés, il se crée entre les deux zones voisines un déséquilibre de concentrations tel que le soluté augmentera son transfert vers la zone la moins concentrée pour rétablir l'équilibre des concentrations.

Si un soluté diffuse dans le solvant, le solvant s'infiltre entre le soluté. Pour bien le comprendre, dire qu'une solution est concentrée revient à dire que la part d'eau, la concentration en eau, est faible. Dans un volume unitaire plus il y a de soluté moins il y a d'eau.

Le soluté transférant de la zone la plus concentrée (qui se déconcentre par perte de soluté) vers la zone la moins concentrée (qui se concentre par gain de soluté) et le solvant transférant de la zone la moins concentrée (qui se concentre par perte de solvant) vers la zone la plus concentrée (qui se déconcentre par gain de solvant), s'allient pour tendre à l'homogénéité.

La diffusion montre que le soluté en augmentant son volume de dispersion, tend à occuper au maximum l'espace constitué par l’ensemble du mélange. Cela rapproche, les solutés des solutions des gaz (parfaits) qui tendent à se répartir uniformément dans les enceintes qui les contiennent.

Pour des mélanges d'un solvant et d'un ensemble d'éléments différents solubles dans ce solvant :

• les transferts de chacun des éléments se font par rapport aux déséquilibres de concentrations de chacun (indépendamment des concentrations des autres),
• les transferts de solvant se font par rapport aux concentrations globales (somme des concentrations de chacun des solutés).

La diffusion et le niveau d'énergie

Puisqu’il y a déplacement de particules, il y a déplacement de masses (aussi petites soient elles ce sont quand même des masses) donc il y a travail. Or un travail ne se fait qu'avec une consommation d'énergie. Comme il n'a pas été fournie d'énergie au système, ce travail se fait aux dépens de l'énergie initiale du système donc le niveau d'énergie du système a baissé. Comme la température du système dépend de son niveau d'énergie, la dissolution doit s'accompagner d'une baisse de la température du système (plus ou moins sensible selon l'importance du volume de dispersion que de la chaleur massique du solvant -la chaleur massique est la quantité de chaleur échangée pour abaisser ou élever d'un degré Celsius la température d'un corps-).

Puisque la répartition d'un ou plusieurs solutés dans un solvant entraîne l'homogénéité du mélange qui est le niveau de désordre le plus grand (partout il y a de tout), le niveau d'énergie d'un système tend au désordre le plus complet.

On comprendra que pour revenir à un état de désordre plus faible (par exemple un retour à partir d'une solution à la purification des solutés), il faudra augmenter de façon conséquente le niveau d'énergie du système qui, en augmentant, tendra dans le même temps à s'y opposer. Cette énergie permettra de séparer les éléments au départ très mélangés : c’est ce qui se passe dans une électrolyse avec un apport d'énergie électrique ou lors d'une distillation par apport de chaleur (énergie thermique).