Diffusion (chimie)
En physico-chimie, la diffusion est le transport spontané d’espèces chimiques provoqué par leur agitation thermique et par un gradient de potentiel chimique. Dans une solution diluée sans autre force dominante, le flux net va couramment d’une zone de forte concentration vers une zone moins concentrée, jusqu’à l’équilibre. Le mouvement microscopique persiste alors, mais les flux opposés se compensent.
Flux et coefficient
La première loi de Fick relie le flux au gradient de concentration : à géométrie simple, une augmentation du gradient ou de la surface accroît le transfert, tandis qu’une plus grande distance le ralentit. Le coefficient de diffusion, exprimé en mètres carrés par seconde, dépend de l’espèce transportée, du solvant, de la température, de la viscosité et parfois de la composition du milieu.
Pour un transfert suivant un seul axe, cette relation s’écrit J = −D × dC/dx : J est le flux par unité de surface, D le coefficient et dC/dx le gradient. Le signe négatif indique le sens opposé à l’augmentation de concentration. Cette forme simple suppose que le coefficient représente convenablement le milieu étudié.
La durée nécessaire à une redistribution augmente fortement avec la distance : dans un modèle de diffusion simple, son ordre de grandeur varie comme le carré de cette distance divisé par le coefficient. La diffusion moléculaire est ainsi efficace sur de petites épaisseurs, mais ne suffit pas à homogénéiser rapidement un grand bassin sans circulation de l’eau.
En physiologie aquatique
Les gaz respiratoires et de nombreux solutés diffusent à travers des interfaces biologiques. Aux branchies, la faible épaisseur de l’épithélium et la grande surface d’échange favorisent le transfert. Une membrane sélective, une charge électrique ou une liaison à un transporteur modifient toutefois le comportement par rapport à une diffusion libre.
La diffusion se distingue de l’advection, qui transporte une substance avec le mouvement global de l’eau, et du transport actif, qui couple le déplacement à une source d’énergie cellulaire. Dans un bassin ou un aquarium, les deux premiers mécanismes agissent souvent simultanément.