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Diffusion
La diffusion est le transport net de particules qui résulte de leur agitation microscopique. Elle tend généralement à réduire les différences de concentration.
Un mouvement microscopique permanent
Dans un gaz ou un liquide, les particules sont en mouvement continu. Elles se déplacent dans toutes les directions et entrent en collision avec leur environnement. Si une substance est beaucoup plus concentrée dans une zone que dans une autre, ces mouvements aléatoires produisent à grande échelle un transfert net depuis la région la plus concentrée vers la région la moins concentrée.
Pourquoi parle-t-on de gradient de concentration ?
Le mot gradient décrit ici une variation de concentration dans l’espace. Plus la différence est marquée sur une courte distance, plus le gradient est important. Dans le modèle le plus simple, le flux diffusif augmente avec ce gradient : c’est l’idée exprimée par la loi de Fick.
Exemple : une odeur qui se répand
Ouvrir un flacon odorant dans une pièce libère des molécules dans l’air. Elles se dispersent progressivement. La diffusion moléculaire participe à cette propagation, mais dans une pièce réelle les mouvements d’air et les courants de convection sont souvent beaucoup plus rapides que la diffusion seule.
Dire « le parfum se répand par diffusion » est utile pour introduire l’idée. Dans une vraie pièce, la ventilation, les mouvements des personnes et les différences de température transportent aussi les molécules. La diffusion seule serait beaucoup plus lente sur plusieurs mètres.
La température influence la vitesse de diffusion
Quand la température augmente, l’agitation moléculaire augmente généralement. Les particules explorent alors l’espace plus rapidement et le coefficient de diffusion peut augmenter. C’est pourquoi la diffusion est souvent plus rapide dans un milieu chaud que dans le même milieu froid, toutes choses égales par ailleurs.
Gaz et liquides ne diffusent pas à la même vitesse
La diffusion est généralement beaucoup plus rapide dans un gaz que dans un liquide. Dans un liquide, les particules sont beaucoup plus proches et leurs interactions limitent davantage leur déplacement. Dans les solides, une diffusion atomique existe aussi, mais elle est souvent très lente aux températures ordinaires.
Diffusion et agitation mécanique
Mélanger une solution avec une cuillère accélère fortement l’homogénéisation, mais ce transport n’est plus seulement diffusif : on impose un mouvement global du liquide. La diffusion existe toujours à petite échelle, tandis que l’agitation crée un transport convectif qui renouvelle rapidement les zones en contact.
Mouvement microscopique et transfert lié notamment aux différences de composition.
Déplacement global d’un fluide qui transporte la matière avec lui.
Quel lien avec l’osmose ?
L’osmose implique le passage net d’un solvant à travers une membrane sélective. Elle est liée aux phénomènes diffusifs, mais la membrane et les espèces qu’elle laisse passer sont essentielles. Il vaut donc mieux éviter de présenter osmose et diffusion comme deux mots strictement synonymes.
La loi de Fick, pour aller plus loin
Dans un cas simple, le flux de matière est proportionnel au gradient de concentration et orienté vers les concentrations plus faibles. On l’écrit souvent sous la forme J = −D ∇c. Le coefficient D caractérise la diffusion dans le système étudié et dépend notamment de la nature des espèces, du milieu et de la température.
L’essentiel
La diffusion est un transport net produit par le mouvement microscopique des particules. Elle tend à réduire les différences de concentration et devient généralement plus rapide lorsque la température augmente ou lorsque les distances à parcourir sont petites. Dans les situations réelles, elle peut être accompagnée de convection, d’agitation ou d’autres mécanismes de transport.