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Diffusion von Teilchen 

 

Allgemeines über Diffusion:

Mit dem einfachen Teilchenmodell hatten wir gelernt, dass sich "kleinste" Stoffteilchen in "ständiger" Bewegung befinden. Je höher die Temperatur des Stoffes, um so "stärker" ist die Bewegung dieser Teilchen. Lösen wir beispielsweise Salz in Wasser, so "bewegen" sich die gelösten Salzteilchen in Wasser. Durch diese Teilchenbewegung kommt es zu einer allmählichen Durchmischung des Wassers. Dieser Prozess wird als Diffusion bezeichnet.


Die Diffusion:

Die Diffusion (in der Chemie auch als die Durchmischung zweier oder mehrere Stoffe miteinander) beobachten wir jeden Tag, beispielsweise durch das Lösen von Zucker oder Salz in Wasser. Geben wir Zucker oder Salz in Wasser, so löst sich der Feststoff in Wasser und nach kurzer Zeit schmeckt nach das ganze "Wasser" nach Zucker oder Salz. Die Zucker- bzw. Salzteilchen vermischen sich allmählich (durch den Diffusionsprozess) mit den Wasserteilchen.

Allgemein versteht man in den naturwissenschaftlichen Fächern unter Diffusion einen Vorgang, bei dem es zu einer gleichmäßigen Verteilung von Stoffteilchen mit anderen Stoffteilchen bis zu einer vollständigen Durchmischung  kommt (wie der Begriff diffundieren, aus dem Lateinischen "diffundere" für verstreuen bzw. ausbreiten, impliziert). Eine Diffusion (ohne äußere Einwirkung wie Druck) ist immer ein Stofftransport in Richtung der niedrigeren Konzentration. Die Bewegung bzw. Ausbreitung der Teilchen beruht dabei auf der thermischen Bewegung von Teilchen.

Die Durchmischung von Stoffteilchen miteinander bzw. der Prozess der Diffusion ist in allen Aggregatzuständen möglich, so können sich gasförmige, flüssige und feste Teilchen miteinander mischen. Die (vollständige) Diffusion läuft bei Gasteilchen am schnellsten, bei Flüssigkeiten etwas langsamer und bei festen Teilchen kaum sichtbar ab. Der Prozess der Diffusion unterscheidet sich dabei (vom Prinzip) nicht, ob sich zwei gasförmige oder flüssige bzw. feste Teilchen miteinander mischen. In der Regel lassen sich aber Diffusion bei Feststoffen nur bei einer höheren Temperatur beobachten (in der Regel nahe dem Schmelzpunkt, da hier bereits ausreichend Beweglichkeit der Teilchen gewährleistet ist).

Allgemein läuft die Diffusion umso schnelle ab, je höher die Temperatur (und damit die Geschwindigkeit der Teilchen) ist. Die Diffusionsgeschwindigkeit steigt aber nicht nur mit ansteigender Temperatur, sondern auch bei abnehmender Dichte des Mediums, in dem sich die Teilchen bewegen. Diese beiden "Effekte" führen dazu, dass sich die Teilchen schneller bewegen und daher die Diffusionsgeschwindigkeit größer ist. Daher läuft auch bei gasförmigen Teilchen die Diffusion besonders schnell ab.


Weiterführende Informationen zur Diffusion:

Die Diffusion ist ein Vorgang, bei dem sich die innere Energie des Systems nicht ändert (keine chemische Reaktion). Es kommt aber zu einer Änderung der Entropie. Die Diffusion läuft mit bzw. durch eine Entropiezunahme ab. Daher benötigt man beispielsweise auch keine Zufuhr von Energie, um den Prozess einer Diffusion (bei gasförmigen und flüssigen Teilchen) ablaufen zu lassen. Aufgrund der Zunahme der Entropie (ohne Änderung der inneren Energie) handelt es sich bei der Diffusion um einen irreversiblen Prozess. Der Prozess der Diffusion werden u.a. auch von Brown (=> Brownsche Molekularbewegung) beobachtet (Bewegung von kleinsten Teilchen in einer Flüssigkeit mit Hilfe eines Mikroskopes)

Unterschied zur Osmose: Die Osmose (siehe im Kapitel Biologie) ist eine spezielle Diffusion, wobei eine Lösung (Lösungsmittel + gelöste Stoffteilchen) durch eine semipermeable (=> halbdurchdringend) Membran diffundieren. Dabei diffundiert das Lösungsmittel durch die Membran, während die Stoffteilchen (aufgrund der Größe) nicht durch die Membran durch diffundieren können. Sowohl bei der Diffusion als auch der Osmose diffundiert das Lösungsmittel. Während sich bei der Diffusion der gelöste Stoff auch ausbreitet, kann bei der Osmose der gelöste Stoff sich nicht ausbreiten, da die Stoffteilchen von der Membran an Ausbreiten gehindert werden.

Da es sich bei der Diffusion um einen Vorgang handelt, bei dem sich ein Stoff ausbreitet (u.a. aufgrund eines Konzentrationsunterschiedes) kann der Vorgang der Diffusion durch die Fick'schen Gesetze beschrieben (siehe entsprechendes Kapitel in der Physik).