Per tal d’aprofundir en el tema presentat anteriorment i preparar els possibles experiments de laboratori relacionats amb la teoria d’aula, us adjunte un experiment per a determinar la velocitat de difusió de dos gasos, amoníac i àcid clorhídric.
Arxiu de la categoria: Transferència de Matèria
Difusió de Gasos
La difusió és un dels diversos fenòmens de transport que es troben a la natura. Una de les característiques distintives és que és el resultat de barrejar o transportar massa sense la necessitat d’un moviment macroscòpic del fluid. Per tant, la difusió no s’ha de confondre amb la convecció o advecció, que són altres mecanismes de transport que utilitzen el moviment per moure les partícules d’un lloc a un altre. En llatí “diffundere” significa cap a fora.
Hi ha dues maneres d’introduir el concepte difusió: Una aproximació a partir de les lleis de Fick i la seva conseqüència matemàtica o des del punt de vista Físic, considerant un camí a l’atzar de les partícules que es mouen[1]. Un exemple gràfic seria el que apareix a la figura següent
D’acord amb la llei de Fick el flux de difusió és proporcional al gradient de concentracions. El moviment és des de regions de major concentració a menys concentració.[2] Des del punt de vista atomista, la difusió es considera com el moviment aleatori de les partícules difusores. En la difusió molecular, les molècules que es mouen són autopropulsades per energia tèrmica. Aquest passeig aleatori va ser descobert el 1827 per Robert Brown.[3] Ara bé, el concepte de difusió és àmpliament utilitzat en altres branques de la ciència on el concepte del moviment a l’atzar en els conjunts d’individus és aplicable: la física (difusió de partícules), la química i la biologia, i fins i tot en ciències socials com la sociologia, l’economia i les finances (difusió de la gent, les idees i dels valors de preus).
Aplicació Pràctica: Ús del fenomen de difusió per a l’enriquiment de l’urani
La difusió gasosa s’empra habitualment per a la producció de l’urani enriquit ja siga tant per a plantes d’energia nuclear com per a la seua aplicació armamentística. L’urani natural conté únicament un 0.72% de l’isòtop radioactiu 235U, que és capaç de mantindre una reacció en cadena de fisió nuclear. Per contra els reactors nuclears requereixen un combustible amb una concentració entre el 2 i el 5% d’aquest isòtop, per a les bombes nuclears aquesta concentració és encara major. Una forma de concentrar l’urani als nivells desitjats és aprofitar la Llei de Graham.
La figura següent mostra una planta d’enriquiment per difusió gasosa on s’introdueix hexaflorur d’urani (UF6, únic compost d’urani suficientment volàtil) en un tanc cil·líndric, conegut com difusor, el qual està dividit mitjançant barreres poroses. És un procés difusiu doncs s’aprofita el gradient de concentració que existeix entre els compartiments del tanc. Com que la diferència entre els pesos moleculars del 235UF6 i 238UF6 és reduida, s’aconsegueix només un 0.4% de concentració. No obstant això, mitjançant l’addició de més compartiments de difusió es crea una seqüència en etapes, coneguda com cascada, on es pot aplegar a la concentració d’urani radioactiu desitjada.
Què és la transferència de matèria?
Transferència de matèria forma part d’una mena de triada on també apareixen la mecànica de fluids i la transferència de calor. Aquests tres eixos formen els fenòmens de transport que suposen un dels pilars en el currículum de l’enginyer químic (Augusto et al., 2019; Valero et al., 2019). De fet, és definit per Woinaroschy com el segon paradigma en l’evolució de l’enginyeria química (Woinaroschy, 2016). Segons aquest autor, durant el final de la dècada dels 50 apareix la necessitat d’aprofundir en els principis físics de les unitats d’operació més que basar-se en l’empirisme. Aquest paradigma estudia, per tant, els tres processos físics que es donen en qualsevol unitat d’operació: transport de moment, energia i matèria (Woinaroschy, 2016). En particular la transferència de matèria consisteix en el pas d’una o més substàncies d’una corrent més concentrada a una més diluïda. En molts casos podrà haver, a més, a més, un canvi de fase associat a aquest intercanvi.
La transferència de matèria és un fenomen físic de suma importància a la indústria doncs els processos de separació, que divideixen substàncies en productes separats amb característiques diferents, es basen en aquesta matèria. Clars exemples industrials són la destil·lació i la cristal·lització, en el cas de la separació per fraccions del petroli a la transferència de matèria se li ha d’afegir reaccions químiques. No obstant això, la transferència de matèria també es troba en assumptes més quotidians com en la dissolució de sucre en el nostre café de cada dia o l’evaporació de la colònia que emprem. Finalment, és un procés que forma part del motor de vida de la natura doncs la pressió osmòtica, motor d’intercanvi de les cèl·lules, és un procés governat per la transferència de matèria.
Queda patent que és, per tant, una assignatura clau per al currículum de qualsevol enginyer químic, doncs un perfil més industrial o un de més científic requeriran de coneixements en la matèria per a entendre i poder solucionar problemes que es troben durant el desenvolupament de la seua carrera professional.
Referències
Augusto, P.A., Castelo-grande, T., Estevez, A.M., 2019. Education for Chemical Engineers Practical demonstrations designed and developed by the students for pedagogical learning in transport phenomena. Educ. Chem. Eng. 26, 48–57. https://doi.org/10.1016/j.ece.2018.10.002
Valero, M.M., Martinez, M., Pozo, F., Planas, E., 2019. Education for Chemical Engineers A successful experience with the flipped classroom in the Transport Phenomena course. Educ. Chem. Eng. 26, 67–79. https://doi.org/10.1016/j.ece.2018.08.003
Woinaroschy, A., 2016. Chinese Journal of Chemical Engineering A paradigm-based evolution of chemical engineering. CJCHE 24, 553–557. https://doi.org/10.1016/j.cjche.2016.01.019