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Diffusion einfach erklärt: Teilchen in Bewegung
Diffusion ist die selbstständige Durchmischung von Teilchen durch ihre ständige, zufällige Bewegung. Sind Teilchen zunächst ungleich verteilt, entsteht dabei ein Netto-Transport vom Bereich hoher zur niedrigeren Konzentration. Mit der Zeit wird die Verteilung gleichmäßiger.
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Was geschieht bei der Diffusion?
Öffnest du eine Parfümflasche, verteilen sich Duftteilchen allmählich in der Luft. Gibst du einen Farbstoff in eine Flüssigkeit, kann sich die Farbe mit der Zeit im ganzen Gefäß ausbreiten. In beiden Fällen bewegen sich die Teilchen ständig und wechseln ihre Richtung zufällig.
Diffusion
Diffusion ist die selbstständige Durchmischung verschiedener Stoffe infolge der ungerichteten Eigenbewegung ihrer Teilchen. Sie baut Konzentrationsunterschiede ab.
Konzentration beschreibt hier, wie viele Teilchen eines Stoffes sich in einem bestimmten Raumbereich befinden. „Hohe Konzentration“ bedeutet also: In diesem Bereich befinden sich viele Teilchen des betrachteten Stoffes.
Zu Beginn befinden sich viele Duftteilchen nahe an der geöffneten Flasche und kaum welche am anderen Ende des Raums. Durch ihre Zufallsbewegung verteilen sie sich. Die Teilchen kennen dabei kein Ziel und werden nicht „vom leeren Raum angezogen“.
Die Stoffteilchen bleiben bei diesem Vorgang dieselben. Sie werden nicht größer, verschwinden nicht und verwandeln sich nicht in Luftteilchen. Nur ihre räumliche Verteilung ändert sich.
Warum entsteht ein Transport in eine Richtung?
Ein einzelnes Teilchen kann sich sowohl in Richtung hoher als auch in Richtung niedriger Konzentration bewegen. Trotzdem entsteht bei sehr vielen Teilchen ein Netto-Transport: Insgesamt wechseln mehr Teilchen aus dem Bereich hoher Konzentration in den Bereich niedriger Konzentration als umgekehrt.
Stell dir zwei gleich große Bereiche vor. Rechts befinden sich 1.000 Teilchen, links 10. Für jedes einzelne Teilchen sind Bewegungen in verschiedene Richtungen möglich. Weil rechts 100-mal so viele Teilchen vorhanden sind, gibt es dort auch viel mehr Gelegenheiten für einen Wechsel nach links. Insgesamt wandern deshalb netto Teilchen nach links.
Zufällige Bewegung auf der Teilchenebene kann auf der Stoffebene einen gerichteten Netto-Transport erzeugen: von hoher zu niedriger Konzentration.
Sind die Teilchen gleichmäßig verteilt, endet ihre Bewegung nicht. In gleich großen Zeitabschnitten wechseln im statistischen Mittel nur gleich viele Teilchen in beide Richtungen. Die Konzentration bleibt dann makroskopisch gleich. Das nennt man ein dynamisches Gleichgewicht.
Wovon hängt die Geschwindigkeit ab?
Eine höhere Temperatur bedeutet im Teilchenmodell mehr thermische Energie. Die Teilchen bewegen sich im Mittel schneller und durchmischen sich dadurch schneller.
Höhere Temperatur → höhere Teilchenenergie → schnellere Teilchenbewegung → schnellere Diffusion.
Auch die Entfernung ist entscheidend. Unter sonst gleichen Bedingungen wächst die typische Diffusionszeit mit dem Quadrat der Strecke:
$$t \propto s^2$$
Das bedeutet: Muss ein Stoff durch Diffusion die doppelte Strecke zurücklegen, dauert der Vorgang ungefähr viermal so lange. Diffusion ist deshalb besonders über kleine Entfernungen wirksam.
Vergleiche zwei sonst gleiche Wege. Beim zweiten Weg ist die Strecke doppelt so groß. Dann gilt für das Verhältnis der Zeiten: $(2s)^2 : s^2 = 4 : 1$. Der längere Weg braucht also ungefähr die vierfache Diffusionszeit.
Der Stoffzustand spielt ebenfalls eine Rolle:
- In Gasen bewegen sich Teilchen schnell; Diffusion verläuft vergleichsweise schnell.
- In Flüssigkeiten stoßen Teilchen häufig zusammen; Diffusion ist meist langsamer als in Gasen.
- In Festkörpern sind Ortswechsel selten und an mögliche Platzwechsel oder Fehlstellen gebunden; dennoch ist Diffusion auch dort möglich.
Woran erkennst du reine Diffusion?
Im Alltag wirken oft mehrere Transportvorgänge gleichzeitig. Beim Parfüm im Zimmer können Luftströmungen Duftteilchen viel schneller über größere Strecken tragen. Auch in einem Glas Wasser können Temperaturunterschiede Strömungen auslösen. Die beobachtete Ausbreitung darf deshalb nicht automatisch ausschließlich der Diffusion zugeschrieben werden.
Diffusion entsteht aus der zufälligen Teilchenbewegung. Strömung bewegt dagegen größere Stoffbereiche gemeinsam, etwa Luft durch einen Ventilator oder Wasser beim Umrühren.
Ein Farbstofftropfen in ruhigem Wasser zeigt anschaulich eine allmähliche Durchmischung. Für einen möglichst reinen Diffusionsversuch müssen Erschütterungen und Temperaturunterschiede klein sein. Besonders deutlich lässt sich der langsame Vorgang beobachten, wenn eine dichtere gefärbte Flüssigkeit vorsichtig unter eine sehr zähflüssige, weniger dichte Flüssigkeit geschichtet wird.
Osmose ist ein besonderer Fall: Ein Lösungsmittel diffundiert durch eine Membran, die den gelösten Stoff nicht passieren lässt. Nicht jede Diffusion durchmischt also einfach zwei frei aneinandergrenzende Stoffbereiche.
Die Brownsche Bewegung ist nicht dasselbe wie die Bewegung einzelner unsichtbarer Moleküle. Sichtbare kleine Schwebeteilchen bewegen sich unregelmäßig, weil sie fortwährend von den unsichtbaren Flüssigkeitsteilchen gestoßen werden.
Karteikasten
Überlege zuerst selbst und drehe die Karte anschließend zum Prüfen um.
Alles auf einen Blick
- Diffusion
- Ursache: ständige zufällige Bewegung unveränderter Teilchen
- Wirkung: Abbau von Konzentrationsunterschieden
- Gleichgewicht: Teilchen bewegen sich ohne Netto-Transport weiter
- Temperatur: höhere Temperatur beschleunigt die Diffusion
- Entfernung: längere Strecken verlängern die Diffusionszeit stark
- Stoffzustand: in Gasen meist schneller als in Flüssigkeiten und Festkörpern
- Strömung: bewegt größere Stoffbereiche gemeinsam
- Osmose: Lösungsmitteldiffusion durch eine selektive Membran