Vorgang der Diffusion

Materie ist ständig in Bewegung

Dass Materie ständig in Bewegung ist, läßt sich am besten bei Flüssigkeiten beobachten, man denke nur an einen Gebirgsbach oder an die Brandung der Meeresküsten, und das Wasser aus der Leitung fließt genauso wie Roheisen aus dem Hochofen immer zu einem tiefer gelegen Punkt. Auch feste Körper können in Bewegung sein, wie der Sekundenzeiger der Uhr, die Felsbrocken bei einem Steinschlag oder gefrorenes Wasser, das in Form von Schnee vom Himmel fällt.

Dass sich auch Gase in Bewegung befinden, läßt sich indirekt beobachten, wenn sich Zweige und Äste im Wind bewegen und so Rückschlüsse auf die Stärke der Luftbewegung zulassen. Schlechter Geruch verfliegt ebenso wie der Duft eines Blumenstraußes, wenn man das Fenster öffnet.

Bringt man zwei Gase in einen geschlossenen Raum, so gleichen sich ihre Konzentrationen nach genügender Zeit vollständig aus und sie durchdringen sich gegenseitig. Dies führt mit der Zeit zur vollständigen Durchmischung durch die gleichmäßige Verteilung der beteiligten Teilchen. Bei den Teilchen kann es sich um Atome, Moleküle oder Ladungsträger handeln. Bei den Stoffen handelt es sich meist um Gase und Flüssigkeiten, weniger um Feststoffe.

Die Erscheinung der Diffusion

Wird Wasserstoff in einen Plastikbeutel geleitet (Versuch 1), dann verdrängen die Teilchen des Wasserstoffs die Teilchen der Luft. Auch in Versuch 2 verdrängen die Teilchen von Kohlenstoffdioxid die Teilchen der Luft aus dem Becherglas. Dabei beobachtet man eine unterschiedliche Anzeige der Waage, wodurch man behaupten kann, dass Wasserstoff leichter als Luft und Kohlenstoffdioxid schwerer als Luft ist.

Wenn man den Versuch eine längere Zeit beobachtet, stellt man fest, dass sich die Anzeige der Waage wieder ändert, bis das ürsprüngliche Gleichgewicht wieder hergestellt ist. Offensichlich bleiben die Teilchen des Wasserstoffs nicht sehr lange im Behälter und bewegen sich entgegen der Schwerkraft wieder heraus. Nun können die Luftteilchen wieder eindringen.

Luft, Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid haben eine Eigenbewegung, die man als Wärmebewegung bezeichnet. Dadurch können sie sich im Raum frei ausbreiten. Das Verhalten von Stoffen, sich miteinander zu vermischen, nennt man Diffusion (lat. Verbreitung, Zerstreuung).

Das Verhalten der Diffusion kann man auch bei Flüssigkeiten beobachten (Versuch 3). Selbst wenn man seinen Kaffe mit dem Zucker nicht umrührt, schmeckt er nach einiger Zeit gleichmäßig süß. Allerdings läuft die Diffusion in Flüssigkeiten sehr viel langsamer ab als bei Gasen. Auch bei festen Körpern kann man Diffusionsvorgänge beobachten (Aufgabe 6)

Unterschiedliche Geschwindigkeit der Diffusion

Wie Versuch 5 zeigt, können Gase auch leicht durch poröse Wände hindurchtreten. Erklärt werden kann dies, wenn man eine unterschiedliche Diffusionsgeschwindigkeit von Luft und Wasserstoff annimmt. Die Luftteilchen können nur schwer die Tonzelle verlassen, die Teilchen des Wasserstoffs hingegen bewegen sich sehr schnell durch die Tonwand. Im Inneren der Tonzelle kommt es zu einem Überdruck. Wenn man nach einiger Zeit das Becherglas entfernt, dann diffundieren die Teilchen des Wasserstoffs am schnellsten durch die Wand nach außen. Nun kommt es in der Zelle zu einem Unterdruck und über das Röhrchen wird Luft angesaugt.