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En fisicoquímica, existen dos tipos de gradientes: el gradiente electroquímico y el gradiente de concentración. Cuándo se habla de gradiente químico se habla en realidad del gradiente de concentración, gradiente químico como tal no existe. Del mismo modo, en muchas ocasiones se habla de gradiente eléctrico para referirse al gradiente electroquímico.

En general, ¿qué es un gradiente?

Un gradiente se define, matemáticamente, como un vector que mide la cantidad de cambio en una magnitud escalar entre dos puntos del espacio y la dirección en la que se produce el cambio.

Nos podemos imaginar el gradiente fácilmente como la pendiente en la ladera de una montaña. La altitud sería la magnitud escalar cuyo cambio medimos y la pendiente el vector que mide el cambio de altitud entre dos puntos.

Si entre dos puntos situados a 100 m de distancia, se sube desde una altitud de 50 m a una de 60, tendremos una pendiente (gradiente) del 10%. Pero también puede haber una pendiente del -10% si la medimos en la dirección de bajada. Por eso, un gradiente mide tanto la cantidad de cambio como la dirección en la que se produce.

El gradiente de concentración

El gradiente de concentración, al que es común velo como gradiente químico, mide el cambio en la densidad de moléculas que se produce en un espacio tridimensional, un gradiente que explica muy bien fenómenos de difusión.

Por ejemplo, en la disolución de un cristal de sal en agua está claro que hay una difusión, un flujo de moléculas de ClNa, desde el cristal hacia el agua. Desde que el cristal se sumerge, hasta que se disuelve completamente, sus moléculas no están homogéneamente distribuidas en el agua, sino que hay un gradiente de concentración claro entre la superficie del cristal y zonas cercanas, con mayor densidad de moléculas de ClNa, y zonas alejadas del cristal dónde hay menos.

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Si se observa cada molécula de ClNa individualmente, cada una parece tener un movimiento aleatorio dentro de la disolución, pero el flujo neto es desde lugares de mayor concentración a lugares de menos concentración hasta que todas las moléculas quedan homogéneamente distribuidas.

Difusión por gradiente de concentración
Difusión por gradiente de concentración

Este flujo se produce a través de las líneas en el espacio que siguen una concentración de mayor a menor, y en los lugares dónde el descenso sea mayor, el flujo será más rápido. Es decir, la difusión se produce siguiendo los vectores que representan el gradiente de concentración, de igual modo que la pelota caería por la ladera de la montaña siguiendo las líneas con mayor pendiente.

En físicoquímica, la dirección en la que se produce el cambio del sistema de forma espontánea se mide a través del cambio de entalpía, una magnitud termodinámica que mide el intercambio de energía entre un sistema y su entorno, el cual tiende a cero, y a través de los cambios de entropía, que mide el “desorden” del sistema.

A través de los cambios de entalpía y de entropía en los sistemas, se puede medir matemáticamente los flujos moleculares en favor del gradiente de concentración. Esto es exactamente lo que mide el potencial químico, o,  en el caso de la disolución de un cristal de sal, la entalpía de disolución.

El gradiente químico y la difusión tienen un papel básico en la vida. Por poner uno pocos ejemplos, participa continuamente en la difusión de sustancias entre tejidos y a través de las membranas celulares, es la base del intercambio de gases en los pulmones o es utilizado como señal para el desplazamiento por muchos microorganismos.

Además, los gradientes químicos en los que participan sustancias con carga eléctrica, como los iones, provocan también un gradiente eléctrico. El conjunto, el gradiente electroquímico, es responsable de funciones tan importantes como la contracción muscular o la transmisión de los impulsos nerviosos.

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