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Diffusion: Teilchenbewegung und Stofftransport
Bei der Diffusion verteilen sich Teilchen durch ihre zufällige Eigenbewegung. Besteht ein Konzentrationsunterschied, ergibt sich insgesamt ein Nettotransport vom Bereich höherer zur niedrigeren Konzentration. Er endet beim Konzentrationsausgleich – die Bewegung der einzelnen Teilchen geht jedoch weiter.
Hake ab, was du schon kannst — und komm am Ende hierher zurück!
Warum verteilen sich Stoffe von selbst?
Gibst du einen Tropfen Tinte vorsichtig in Wasser, ist die Farbe zunächst an einer Stelle stark konzentriert. Nach einiger Zeit ist das Wasser auch ohne Umrühren gleichmäßig gefärbt.
Diffusion
Diffusion ist die selbstständige Durchmischung von Teilchen durch ihre dauernde, zufällige Eigenbewegung. Dabei werden Konzentrationsunterschiede abgebaut. Der Vorgang ist passiv: Er benötigt keine zusätzliche Energiezufuhr durch die Zelle.
Die Teilchen bewegen sich ständig und stoßen mit anderen Teilchen zusammen. Dadurch wechseln sie immer wieder zufällig ihre Richtung. Diese ungerichtete Bewegung wird als brownsche Molekularbewegung bezeichnet.
In der Nähe eines Tintentropfens befinden sich zunächst viele Farbstoffteilchen, weiter entfernt nur wenige. Die Teilchen bewegen sich in alle Richtungen. Weil im stark gefärbten Bereich mehr Farbstoffteilchen starten, verlassen ihn insgesamt mehr Teilchen, als gleichzeitig dorthin zurückkehren. So breitet sich die Farbe aus.
Einzelne Teilchen bewegen sich zufällig. Erst die große Zahl der Teilchen führt zu einer vorhersagbaren Nettobewegung.
Wie bestimmst du die Richtung des Nettotransports?
Die Konzentration beschreibt, wie viele Teilchen eines Stoffes sich in einem bestimmten Bereich befinden. Ein Unterschied zwischen zwei Bereichen heißt Konzentrationsgefälle oder Konzentrationsgradient.
Nettotransport
Nettotransport ist die Bilanz aller Teilchenbewegungen. Für die Diffusion gilt: Insgesamt gelangen mehr Teilchen vom Bereich hoher zum Bereich niedriger Konzentration als in die Gegenrichtung.
Du kannst die Richtung in drei Schritten bestimmen:
- Vergleiche die Konzentration des betrachteten Stoffes in beiden Bereichen.
- Markiere den Bereich mit der höheren und den mit der niedrigeren Konzentration.
- Zeichne die Richtung des Nettotransports von hoch nach niedrig ein.
Links befinden sich viele Sauerstoffteilchen, rechts nur wenige. Beide Bereiche sind miteinander verbunden und für Sauerstoff durchlässig. Sauerstoffteilchen bewegen sich in beide Richtungen. In der Bilanz gelangen aber mehr Teilchen von links nach rechts. Der Nettotransport verläuft deshalb nach rechts.
Was geschieht beim Konzentrationsausgleich?
Sind die Konzentrationen gleich, liegt ein dynamisches Gleichgewicht vor. Dynamisch bedeutet: Die Teilchen stehen nicht still.
Teilchen wechseln weiterhin zwischen den Bereichen. Pro Zeit bewegen sich aber im Mittel gleich viele Teilchen in die eine wie in die andere Richtung. Deshalb gibt es keinen gerichteten Nettotransport mehr.
Konzentrationsausgleich bedeutet nicht Bewegungsstillstand. Er bedeutet: Die entgegengesetzten Teilchenströme sind gleich groß.
Wovon hängt die Diffusionsgeschwindigkeit ab?
Diffusion läuft nicht immer gleich schnell. Entscheidend sind mehrere Bedingungen:
- Temperatur: Bei höherer Temperatur bewegen sich Teilchen schneller. Die Durchmischung wird schneller.
- Konzentrationsunterschied: Ein größeres Gefälle führt zu einem stärkeren Nettotransport.
- Strecke: Über eine kürzere Distanz wird der Ausgleich schneller erreicht.
- Teilchengröße: Kleinere Teilchen diffundieren in der Regel schneller als größere.
- Medium: In einem weniger zähflüssigen Medium können sich Teilchen leichter bewegen als in einem stärker zähflüssigen.
Je ein Tropfen desselben Farbstoffs kommt in ein Glas kaltes und ein Glas warmes Wasser. Im warmen Wasser bewegen sich die Teilchen schneller. Unter sonst gleichen Bedingungen verteilt sich der Farbstoff dort schneller.
Wärme ist hier nicht die Energiequelle eines aktiven Zelltransports. Sie verändert die Geschwindigkeit der ohnehin vorhandenen zufälligen Teilchenbewegung.
Wie gelangen Stoffe durch Zellmembranen?
Eine Zellmembran ist selektiv permeabel: Sie lässt manche Stoffe passieren, andere nicht oder nur mithilfe bestimmter Proteine. Deshalb entscheidet nicht allein das Konzentrationsgefälle über den Transportweg.
Einfache Diffusion
Kleine, unpolare Moleküle und Gase wie Sauerstoff und Kohlenstoffdioxid können die Membran ohne Transportprotein passieren. Ihr Nettotransport folgt dem Konzentrationsgefälle.
Erleichterte Diffusion
Ionen und manche größeren oder polaren Teilchen können die Membran nicht frei durchqueren. Passende Membranproteine ermöglichen trotzdem einen passiven Transport entlang des Gefälles:
- Kanalproteine bilden einen Durchgang durch die Membran.
- Carrierproteine binden bestimmte Teilchen und vermitteln deren Transport.
„Erleichtert“ bedeutet also nicht „mit zusätzlicher Energie“, sondern „mithilfe eines Membranproteins“.
Abgrenzung zum aktiven Transport
Soll ein Stoff gegen sein Konzentrationsgefälle transportiert werden, reicht Diffusion nicht aus. Ein solcher aktiver Transport benötigt Energie. Lebende Zellen können dadurch wichtige Konzentrationsunterschiede aufrechterhalten.
Außerhalb einer Zelle befinden sich viele Teilchen eines Stoffes, innerhalb nur wenige.
- Kann der Stoff die Membran frei passieren, gelangt er durch einfache Diffusion netto in die Zelle.
- Benötigt er ein passendes Kanal- oder Carrierprotein, erfolgt der Transport entlang des Gefälles durch erleichterte Diffusion.
- Soll der Stoff trotz höherer Innenkonzentration weiter in die Zelle gelangen, ist ein energieabhängiger aktiver Transport nötig.
Osmose betrifft die passive Bewegung von Wasser durch eine selektiv permeable Membran. Sie ist eng mit Diffusion verwandt, bildet aber einen eigenen Lernschwerpunkt.
Karteikasten
Überlege zuerst selbst und drehe die Karte anschließend zum Prüfen um.
Alles auf einen Blick
- Diffusion
- Ursache: zufällige Eigenbewegung der Teilchen
- Richtung: netto von hoher zu niedriger Konzentration
- Zielzustand: dynamisches Gleichgewicht
- schneller durch: höhere Temperatur, größeres Gefälle, kürzere Strecke
- Membrantransport: einfach oder durch Kanal und Carrier erleichtert
- Abgrenzung: aktiver Transport benötigt Energie