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Principe physique de diffusion - Coggle Diagram
Principe physique de diffusion
Observation du phénomène
On considère un récipient contenant un solvant : l'eau, auquel on ajoute un soluté hydrophile coloré. L'ajout du soluté marque le t 0 de la manipulation
A t f , le pigment c'est dispersé de façon homogène dans l'ensemble du volume de solvant
Pendant l'intervalle de temps Δ t = t f − t 0 , les molécules de soluté se sont déplacées à travers le solvant, afin d'être dispersées de façon homogène à t f
A t 0 , le système thermodynamique est en déséquilibre à cause de la répartition hétérogène du soluté dans le volume de solvant. Il y a une différence de concentration de soluté dans le système : l'endroit de dépôt du soluté est concentré que le reste du volume d'eau.
Le soluté se déplace du plus concentré vers le moins concentré vers le moins concentré
La diffusion est irréversible
Explication physique
La diffusion est due à la mobilité relative des molécules entre elles. Cette mobilité moléculaire relative permet le mélange du soluté avec le solvant
Mobilité moléculaire relative La mobilité moléculaire, et donc la diffusion, sont fonctions des interactions entre molécules
Interactions intermoléculaires solvant-solvant
Elles régissent la cohésion du solvant : sa viscosité
Interactions intermoléculaires soluté-soluté
Elles régissent la cohésion du soluté : sa précipitation, qui a lieu quand l'affinité du soluté est plus forte avec le soluté lui-même qu’avec le solvant.
Interactions intermoléculaires soluté-solvant
Ce sont essentiellement les phénomènes de solubilité
vitesse de diffusion
Plus les molécules seront fortement associées, moins elles pourront disperser, moins la diffusion sera rapide La vitesse de diffusion est fonction de deux paramètres principaux
Température.
Quand la température augmente, la mobilité des molécules augmente aussi, et la force de leurs liaisons diminue. Comme la force des liaisons diminue, la vitesse de diffusion augmente
Différence de concentration du soluté
Influence de la différence de concentration de soluté
La différence de concentration de soluté est comme une force de diffusion potentielle
Plus cette différence sera grande, plus la vitesse de diffusion sera grande
A un t 1 proche de t 0 , la vitesse de diffusion sera plus grande qu'à un t 2 proche de t f
Modélisation mathématique
Il s’agit de définir une formule de calcul pour quantifier le « flux diffusif »
que la vitesse de diffusion est fonction de la différence de concentration --> le soluté se déplace du plus concentré vers le moins concentré
S’inspirent des travaux de Joseph Fourier = Diffusion de la chaleur --> du plus chaud vers le moins chaud --> équilibre
Adolf Fick, médecin allemand, inspiré par les travaux de Joseph Fourier, pose les bases de la modélisation mathématique de la diffusion
Js = - Ds . dC/dx
J est le flux diffusif : la vitesse de passage d'une concentration de soluté (quantité de soluté dans un volume) d'un point à un autre.
Exprimé en mol.m−3 .s−1 .
Le signe – sert à trouver un J positif. On quantifie une perte de soluté, donc on multiplie par – pour obtenir une valeur positive
Ds est le coefficient de diffusion : un facteur défini pour un soluté dans un solvant donné à une température donnée. C'est une vitesse, exprimée donc en m.s−1 .
dC est la différence de concentration du soluté. Exprimée en mol.m−3 .
dx est la distance de déplacement du soluté. Exprimée en m .