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Diffusion

Zunächst ein Versuch

Der Begriff Diffusion lässt sich am besten mit einem kleinen Versuch erklären: In einen Standzylinder gibt man Leitungswasser. Mit einer längeren Pipette lässt man dann langsam und vorsichtig eine Kaliumpermanganat-Lösung auf den Boden des Standzylinders laufen.

Diffusion von Kaliumpermanganat in einem Standzylinder

Diffusion von Kaliumpermanganat in einem Standzylinder

Zu Beginn des Versuchs herrscht bezüglich der Kaliumpermanganat-Teilchen ein großer Konzentrationsunterschied. Auf dem Boden des Zylinders ist c(KMnO4) sehr hoch, oben im Zylinder ist c(KMnO4) = 0.

Im Laufe der Zeit wird der Konzentrationsunterschied zwischen oben und unten aber immer kleiner, am Ende, nach ein paar Stunden oder eventuell sogar erst nach ein paar Tagen, besteht kein Konzentrationsunterschied zwischen dem oberen und dem unteren Bereich des Zylinders, es herrscht ein Zustand, der als Konzentrationsausgleich beschrieben wird.

Ursache für diesen Konzentrationsausgleich ist die Diffusion der Kaliumpermanganat-Teilchen, und die Ursache der Diffusion wiederum ist die BROWNsche Molekularbewegung. Daher soll zunächst dieser wichtige Begriff erläutert werden.

BROWNsche Molekularbewegung

Unter der BROWNschen Molekularbewegung versteht man die völlig zufällige Bewegung kleinster Teilchen in einem flüssigen oder gasförmigen Medium. Da die kleinsten Teilchen ständig zusammenstoßen, ändern sie auch dauernd ihre Richtung. Die durchschnittliche Geschwindigkeit der Teilchen steigt dabei mit der Temperatur.

BROWNsche Bewegung von einigen Molekülen

BROWNsche Bewegung von einigen Molekülen

Auf diesem Bild sieht man acht Moleküle, die sich mit unterschiedlicher Geschwindigkeit in unterschiedlichen Richtungen bewegen. Anfangs liegen die Moleküle noch relativ dicht beieinander, nach einer kurzen Zeit aber haben sich die Moleküle mehr oder weniger gleichmäßig über eine größere Fläche verteilt.

Simulation der BROWNschen Molekularbewegung durch das Diffusionsspiel

Für meinen Unterricht in der Jahrgangsstufe EF (Stufe 10) habe ich kürzlich ein kleines Spiel entwickelt:

Screenshot des Diffusionsspiels

Das Diffusionsspiel (Download der PDF-Datei)

Regeln:
  • Acht graue Felder mit Figuren besetzen (zufällig), dann für jede Figur würfeln und die Figur zwei Felder in die entsprechende Richtung ziehen, falls möglich.
  • Nach jeder Runde die Verteilung der acht Figuren notieren, zum Beispiel "6 auf Grau, 2 auf Weiß".
  • Die Verteilung der Figuren auf den grauen/weißen Feldern in Abhängigkeit von der Zahl der Runden graphisch darstellen.
  • Weitere Regeln können bei Bedarf hinzugefügt werden…

Die Schüler lernen hier sehr schnell, wie die Diffusion funktioniert. Nach wenigen Runden sind die acht Figuren gleichmäßig auf die weißen und grauen Felder verteilt. Nicht nur das; auch das Phänomen des dynamischen Gleichgewichts wird den Schülern schnell klar, wenn sie weiterspielen, nachdem sich der "Konzentrationsausgleich" eingestellt hat.

Simulation der BROWNschen Molekularbewegung durch ein Java-Applet

Mit Hilfe eines Java-Applets habe ich vor ein paar Jahren den Vorgang der BROWNschen Molekularbewegung und den damit verbundenen Konzentrationsausgleich in einer Animation dargestellt.

Screenshot des Videos

Screenshot des Videos

Ein Video dieser Animation können Sie hier herunterladen (nur ca. 2,2 MB).

Das Java-Applet selbst stelle ich hier nicht zur Verfügung, weil viele Browser heute so eingestellt sind, dass Java-Applets aus Sicherheitsgründen geblockt werden, was eigentlich auch ganz vernünftig ist.

Konzentrationsausgleich

Durch rein zufällige und ungerichtete Bewegungen der Teilchen kommt es mit der Zeit zu einem vollständigen Konzentrationsausgleich, wie man in dem Diffusionsspiel und in dem Java-Applet sehr gut erfahren kann.

Die Geschwindigkeit, mit der sich dieser Konzentrationsausgleich einstellt, hängt von mehreren Faktoren ab. Vor allem fünf Faktoren beeinflussen die Diffusionsgeschwindigkeit:

  1. Ein großer Konzentrationsunterschied beschleunigt die Diffusion.
  2. Je kleiner die zu überwindende Distanz ist, desto schneller erfolgt der Konzentrationsausgleich
  3. Kleine Teilchen bewegen sich im Prinzip schneller als große Teilchen; die Diffusionsgeschwindigkeit hängt also von der Teilchenart ab.
  4. Ein "zähes" Lösungsmittel (hohe Viskosität) behindert die freie Diffusion, senkt also die Diffusionsgeschwindigkeit.
  5. Mechanische Hindernisse wie beispielsweise die Zellmembran behindern die Diffusion.

Zu diesem Thema können Sie hier auch eine Präsentation und ein Arbeitsblatt herunterladen.

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