Diffusion – Einführung

Diffusion – Definition

Was ist Diffusion?
Ganz einfach erklärt: Wir verstehen unter Diffusion die Durchmischung unterschiedlicher Teilchen aufgrund ihrer wärmebedingten Eigenbewegung. Bei einem Konzentrationsgefälle zwischen verschiedenen Stoffen sorgt die Diffusion für einen Konzentrationsausgleich.

Was bedeutet Diffusion genau?

Die brownsche Molekularbewegung ermöglicht Diffusion
Im flüssigen und gasförmigen Aggregatzustand bewegen sich alle Teilchen – also Atome und Moleküle – ungerichtet und dabei stoßen sie sich gegenseitig voneinander ab. Die Teilchen diffundieren so durch den Raum und durchmischen sich, bis überall die gleiche Teilchenkonzentration vorliegt. Die Temperatur der Teilchen ist ein Maß für die Stärke der Bewegung, denn es handelt sich um eine wärmebedingte bzw. thermische Eigenbewegung der Teilchen, man bezeichnet sie als brownsche Molekularbewegung. Auch im festen Aggregatzustand, zum Beispiel im Kristallgitter, bewegen sich die Teilchen, dabei schwingen sie um einen festen Platz. Eine Diffusion kann auch in Festkörpern ablaufen. Sie findet dann aber nur in viel geringerem Ausmaß und viel langsamer statt als in Flüssigkeiten oder Gasen.

Diffusion – Chemie
In der Chemie spielt die Diffusion, insbesondere beim Vermischen verschiedener Stoffe oder beim Lösen von Stoffen in Flüssigkeiten, eine große Rolle. Hierbei tritt anfangs ein Konzentrationsgefälle auf und die Teilchen dieser Stoffe diffundieren so lange bis es zu einem Konzentrationsausgleich kommt. Dann gibt es keine Gesamtbewegung mehr. Die thermische Eigenbewegung der Teilchen besteht aber fort.

Die Diffusionsgeschwindigkeit

Die Diffusionsgeschwindigkeit ist die Geschwindigkeit, mit der die Teilchen im Raum diffundieren. Sie hängt von verschiedenen äußeren Faktoren ab, dazu zählen insbesondere:

• Temperatur: Je höher die Temperatur ist, desto größer ist die Eigenbewegung der Teilchen und desto schneller diffundieren sie.

• Konzentrationsgefälle: Je größer das Konzentrationsgefälle ist, desto schneller diffundieren die Teilchen entgegen der Richtung des Konzentrationsgefälles.

• Teilchengröße und Teilchenmasse: Je größer und schwerer die Teilchen sind, desto langsamer diffundieren sie.

Diffusion – Beispiele

1. Diffusion beim Lösen von Salz in Wasser
Gibt man einen Löffel Salz in ein Glas Wasser, bilden sich sichtbare Schlieren um das noch nicht gelöste Salz. An anderer Stelle im Glas ist das Wasser noch klar. Daran erkennt man optisch das Konzentrationsgefälle. Die Salzteilchen lösen sich und diffundieren in Bereiche geringerer Konzentration. Nach einiger Zeit hat sich das Salz vollständig gelöst. Die Schlieren sind weg und es hat sich ein Konzentrationsausgleich eingestellt.

2. Die Diffusionsgeschwindigkeit bei der Zubereitung von Tee
Wir nehmen ein Glas mit kaltem Wasser und ein Glas mit heißem Wasser. Dann hängt man in beide Gläser einen Beutel schwarzen Tee. Sofort sieht man, dass die gefärbten Inhaltsstoffe des Tees im heißen Wasser viel schneller diffundieren als im kalten Wasser.

Hinweise zum Video Diffusion – Einführung

In diesem Video erfährst du, was bei der Diffusion passiert, wie sie mit der Teilchenbewegung zusammenhängt und welche Faktoren die Geschwindigkeit der Diffusion beeinflussen.

Übungen zur Diffusion
Du findest hier auch Übungen zum Thema Diffusion.

Ausblick – Ficksche Gesetze

Diffusion – Formel
Im Leistungskurs Chemie in der Oberstufe kann die quantitative Beschreibung der Diffusion behandelt werden. Die Teilchenströme in Diffusionsprozessen lassen sich dafür mathematisch mit den fickschen Gesetzen beschreiben. Diese wurden nach dem deutschen Physiologen Adolf Fick benannt.

Das 1. ficksche Gesetz beschreibt die Diffusionsstromdichte $J$ entgegen der Richtung $x$ des Konzentrationsgefälles $\frac{\partial~c}{\partial~x}$:

$J_{x} = -D \frac{\partial~c}{\partial~x}$

Die Proportionalitätskonstante $D$ ist dabei der Diffusionskoeffizient.

Das 2. ficksche Gesetz dient der Berechnung der Änderung der Konzentration $c$ eines diffundierenden Stoffes mit der Zeit $t$:

$\frac{\partial~c}{\partial~t} = -D \frac{\partial^{2}c}{\partial~x^{2}}$

Die Proportionalitätskonstante $D$ ist wieder der Diffusionskoeffizient.