Gradient de concentració

Archiu:Gradiente de concentración.svg

Noció gràfica d'un gradient de concentració: En un gràfic de concentració vs distància (X), les rectes tangentes als punts A i B representen les funciones gradient de concentració en eixos punts ($\mathrm{\nabla }\varphi =\partial \varphi /\partial x$). Estes rectes tenen pendent negativa, per lo que el vector gradient apunta cap a l'esquerra, cap al punt de major concentració. El vector fluix difusivo (J) movent-se cap a la zona de menor concentració és proporcional al diferencial de concentració en eixe punt i té sentit contrari al gradient ($𝐉=-D\mathrm{\nabla }\varphi$).

Un gradient de concentració és una magnitut fisicoquímica que descriu en quin sentit i en quina proporció es produïx el major canvi en la concentració d'un solut dissolt en una solució no homogénea entorn a un punt en particular. Es pot deduir que el gradient de concentració és una cantitat dimensional expressada en unitats de concentració per unitat de llongitut, havent variants en la forma particular de medir la concentració i la distància. En el sistema internacional d'unitats el gradient de concentració està definit per les dimensions mol·m^-4, no obstant, en la pràctica és freqüent utilisar atres unitats no homogénees, per eixemple mol·L^-1·cm^-1. Una expressió del gradient de concentració forma part de les lleis de Fick per a la difusió.

Es pot assimilar el concepte de gradient de concentració d'un determinat solut, com un vector que, originat en qualsevol punt d'una solució, apunta en la direcció de major canvi de concentració d'eixe solut donat, en sentit cap a la zona de major concentració, i en un mòdul proporcional a la magnitut del canvi.

En freqüència en biologia se sol definir al gradient de concentració a partir de la noció del transport de substàncies, o del concepte de difusió. No obstant, és important notar que l'expressió matemàtica del gradient de concentració entrega un vector en un sentit contrari al que es sobreentiende d'estos texts, ya que el gradient apunta cap a la zona de major concentració, mentres que els soluts (segons expressen les lleis de Fick) es mouen "caent" a les zones de menor potencial, en estos casos l'expressió "es mou a favor del seu gradient" paradòxicament expressa lo contrari a la definició matemàtica.

Els gradient de concentració són importants per a comprendre la dinàmica dels oceans, en el funcionament de celes de combustible i bateries, i en les propietats dels potencials químics de soluts a abdós costats d'una membrana biològica.

Descripció matemàtica

Si s'assumix que la concentració $\varphi$ d'una determinada espècie química és una magnitut intensiva, instantànea, definida per una funció contínua i derivable d'un espai tridimensional en un moment donat (açò a sovint es definix com un camp escalar),

$\varphi =\varphi (x,y,z)$

a on x, i i z són les coordenades de localisació del punt d'interés, llavors el gradient de concentració instantàneu és en la magnitut vectorial definida com:

$\mathrm{\nabla }\varphi =\left(\begin{array}{c}\frac{\partial \varphi }{\partial x},\frac{\partial \varphi }{\partial y},\frac{\partial \varphi }{\partial z}\end{array}\right)$

A on l'operador diferencial $\mathrm{\nabla }$ (nabla) representa a la funció gradient del camp de concentracions.

En biologia

Els gradient de concentració són d'especial interés en l'àmbit de la biologia a on els processos que medien la difusió de substàncies entre diferents teixits i a través de membranes celulars són en gran part depenents dels diferencials de concentració, també definixen el procés d'intercanvi de gasos a nivell pulmonar i s'utilisen com a mecanisme d'orientació per al desplaçament d'estructures, cèlules o organismes (quimiotaxis).

En els gradient de concentració en els que participen substàncies en càrrega elèctrica, es produïxen també gradient elèctrics. En conjunt les contribucions del potencial químic i del potencial elèctric constituïxen un gradient electroquímic, els gradient electroquímics són responsables del manteniment del potencial de membrana, de la transmissió dels impulsos nerviosos, contracció muscular, exocitosis, lliberació de neurotransmisores i hormonas entre uns atres.