Was ist Diffusion?

Die Diffusion von Atomen und Molekülen in einem bestimmten Medium, sei es ein Gas, eine Flüssigkeit oder ein Feststoff, ist ein physikalischer Vorgang, durch den diese Teilchen innerhalb des Mediums tendenziell von einem Ort höherer Konzentration zu einem anderen verschoben werden, wo die Konzentration niedriger ist, bis die Konzentration im gesamten Medium gleich ist. Diese räumlichen Konzentrationsänderungen in einem bestimmten Medium werden als Konzentrationsgradienten bezeichnet. Die Diffusion ist mit diesen Konzentrationsgradienten und mit der Temperatur des Mediums verbunden.

Wie entsteht Diffusion?

Diffusion wird durch die Bewegung von Atomen und Molekülen im Zusammenhang mit der Temperatur erzeugt. Bei einem Gas hängt die Temperatur mit der kinetischen Energie der Teilchen zusammen, der Energie, mit der sich die Atome und Moleküle des Gases bewegen. In einem Festkörper wie einem Kristall ist die Temperatur mit der Energie verbunden, mit der die Atome und Moleküle in dieser kristallinen Struktur schwingen.

Die Idee der Diffusion ist bei einem Gas deutlich zu erkennen. Die zufällige Bewegung von Atomen und Molekülen in einem Gasgemisch mit hoher Geschwindigkeit in alle Richtungen erzeugt ihr Gemisch und erzeugt einen Nettostrom von Partikeln von einem Ort höherer Konzentration zu einem anderen Ort niedrigerer Konzentration.

Die folgende Abbildung zeigt ein Schema, das hilft, das Konzept der Diffusion zu verstehen. In der ersten Box befinden sich zwei Gase, die durch eine Trennwand getrennt sind: Die Trennwand wird entfernt und Sie haben ein Medium, in dem die Konzentration eines der Gase 0 ist, auf der anderen Seite der Stelle, an der sich die Trennwand befand. Die zufällige Bewegung der Partikel (die rote Linie stellt die Bewegung eines der grauen Partikel dar) bewirkt eine Nettoverschiebung der grauen Partikel in Richtung des Bereichs der schwarzen Partikel und umgekehrt. Schließlich ist in Frame 3 die Konzentration beider Partikel im gesamten Medium gleich und es wird keine Nettoverdrängung von Partikeln mehr beobachtet, obwohl sich alle Partikel weiterhin zufällig bewegen.

Die Diffusionsrate, d. h. die Geschwindigkeit, mit der eine Nettoübertragung von Partikeln von einem Ort zum anderen im Medium beobachtet wird, ist umso größer, je höher die Temperatur ist, d. h. je größer die Energie ist, die dieses physikalische Phänomen antreibt. Und es wird auch zunehmen, je größer der Konzentrationsunterschied ist. Die Diffusionsgeschwindigkeit hängt auch von der Masse der Teilchen und im Falle eines Fluids von seiner Viskosität ab, Faktoren, die sich zusammen mit der Temperatur im sogenannten Diffusionskoeffizienten D ausdrücken . Dieses physikalische Phänomen wird durch die beiden Gesetze von Fick ausgedrückt.

Die Diffusion ist ein physikalischer Prozess, der keinen zusätzlichen Energiebeitrag erfordert, da er mit der thermischen Energie verbunden ist, die das Medium bereits hat, ausgedrückt durch die Temperatur. Dies ist ein grundlegender Aspekt dieses physikalischen Mechanismus, da die Diffusion Teil vieler natürlicher Prozesse ist, wie der Diffusion von gelösten Stoffen, Flüssigkeiten und Gasen durch Zellmembranen.

Osmose

Osmose oder Osmose ist die Diffusion durch eine halbdurchlässige Membran: eine Trennwand mit sehr kleinen Löchern in der Größenordnung von Mikrometern, die den Durchgang von Molekülen ermöglichen, die entsprechend ihrer Größe ausgewählt werden können. Wie die folgende Abbildung zeigt: Die blauen Moleküle, die des Wassers, können die Löcher in der Membran passieren, die grünen Moleküle, die eines gelösten Stoffes wie Zucker, jedoch nicht.

Das Vorhandensein eines gelösten Stoffs, der die Membran nicht passieren kann, d. h. die Zuckermoleküle (grün), erzeugt eine Tendenz der Moleküle, die sie passieren können, d. h. der Wassermoleküle (blau), sich in Richtung der Membran zu bewegen . die Lösung, indem Sie dem rosa Pfeil folgen, um zu versuchen, die Konzentrationen auf beiden Seiten der Membran auszugleichen. In der Abbildung befindet sich kein gelöster Stoff in der linken Küvette, aber das Verfahren ist immer noch gültig, wenn sich auf beiden Seiten der Membran eine Lösung mit unterschiedlichen Konzentrationen befindet. In diesem Fall haben wir eine hypotonische Lösung in der Küvette mit einer niedrigen Konzentration an gelösten Stoffen und eine hypertonische Lösung in der Küvette mit einer hohen Konzentration an gelösten Stoffen.

Diese Tendenz der Wassermoleküle, in Richtung des Beckens mit höherer Konzentration zu strömen, erzeugt einen Druck in dieser Richtung, der als osmotischer Druck bezeichnet wird. Gelingt es durch den Durchgang der Wassermoleküle, die Konzentration in beiden Küvetten anzugleichen, erhält man isotonische Lösungen; selbst wenn die Wassermoleküle weiter durch die Membran strömen, gibt es keinen klaren Trend in eine der beiden Richtungen.

Wenn beide Lösungen in offene Röhrchen gegeben werden, wie in der folgenden Abbildung gezeigt, sehen wir, dass der Zweig mit der Lösung mit der höchsten Konzentration in Bezug auf den anderen ansteigt; Dies ist auf den osmotischen Druck in der Membran zurückzuführen.

Wenn in einem System wie dem in der vorherigen Abbildung schematisch beschriebenen die Lösung mit der höchsten Konzentration einem Druck ausgesetzt wird, der dem osmotischen Druck entgegenwirkt, kann ein Nettofluss von Wasser durch die Membran in Richtung des osmotischen Drucks erreicht werden .weniger konzentrierter Zweig. Sie kann als Umkehrprozess zur Osmose aufgefasst werden, weshalb sie als Umkehrosmose bezeichnet wird. Dieser Prozess wird in Wasserreinigungsmechanismen verwendet.

Einige Beispiele für Diffusion in natürlichen Prozessen

Einer der grundlegenden Prozesse des Lebens ist das Atmen. Zu den mit der Atmung verbundenen Prozessen gehören die Diffusion von Gasen, die Diffusion von Sauerstoff im Blut und die Eliminierung von Kohlendioxid, die ebenfalls durch Diffusion erfolgt. In der Lunge diffundiert Kohlendioxid aus dem Blut in die Luft, die dann ausgeatmet wird, ein Prozess, der in den Lungenbläschen stattfindet. Nach der Entfernung von Kohlendioxid nehmen die roten Blutkörperchen den Sauerstoff auf, der aus der Luft in das Blut diffundiert.

In den Zellen findet der umgekehrte Austausch statt: Kohlendioxid und Abfälle aus zellulären Prozessen diffundieren aus den Gewebezellen in das Blut, während Sauerstoff, Glukose und andere Nährstoffe aus dem Blut in die Gewebe diffundieren. Diese Diffusionsprozesse finden in den Kapillaren des Blutkreislaufsystems statt.

Diffusionsmechanismen, die mit verschiedenen Prozessen verbunden sind, werden auch in Pflanzenzellen und -geweben beobachtet. Die Photosynthese, die in den Blättern von Pflanzen stattfindet, ist mit der Diffusion von Gasen verbunden: Kohlendioxid aus der Luft und Sonnenenergie werden in Glukose und Sauerstoff umgewandelt. Kohlendioxid diffundiert aus der Luft durch kleine Öffnungen, die Stomata genannt werden, in die Blätter. Und der bei der Photosynthese produzierte Sauerstoff diffundiert auch durch die Stomata aus den Blättern in die Luft.

Die Diffusion großer Moleküle wie Glucose durch Zellmembranen erfolgt durch die sogenannte erleichterte Diffusion. Diese Moleküle passieren Membranen mit Hilfe von Trägerproteinen, in Zellmembranen eingebettete Proteinkanäle, die Öffnungen darstellen, die nur Moleküle mit einer bestimmten Größe und Form passieren lassen. Der erleichterte Diffusionsprozess erfordert auch keine zusätzliche Energie, sodass er ebenso wie die direkte Diffusion als passiver Transport angesehen wird.

Osmotische Mechanismen finden sich bei Prozessen der Resorption von Wasser in den Tubuli der Nieren und bei der Resorption von Flüssigkeiten in den Gewebekapillaren. Die Einlagerung von Wasser in die Wurzeln der Pflanzen erfolgt durch Osmose, ein auch für ihre Stabilität sehr wichtiger Prozess. Wenn Pflanzen verwelken, liegt das an Wassermangel in ihren Vakuolen; Vakuolen halten Pflanzenstrukturen starr, indem sie Wasser mitreißen und osmotischen Druck auf die Zellmembranen ausüben.

Quellen

Bokshtein, BS Mendelev, MI Srolovitz, DJ-Redakteure. Thermodynamik und Kinetik in den Materialwissenschaften: Ein kurzer Kurs . Thermodynamik und Kinetik in den Materialwissenschaften: Ein kurzer Kurs. Oxford University Press, Oxford, 2005.

Philibert, J. Eineinhalb Jahrhunderte Verbreitung: Fick, Einstein, vorher und nachher . Diffusionsgrundlagen 2, 2005.