Vorgang der Diffusion

Das Dalton-Modell. Die Erscheinung der Diffusion. Unterschiedliche Diffusionsgeschwindigkeit.

OK, dann spendir mir wenigstens ein Bier




5. 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.

Duftende Rosen
Bild 1. Die Duft-Teilchen von Schnittblumen verteilen sich im Raum

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 AtomeMoleküle oder Ladungsträger handeln. Bei den Stoffen handelt es sich meist um Gase und Flüssigkeiten, weniger um Feststoffe.

 
Befestige eine Plastiktasche an einer Waage und leite Wasserstoff ein (Bild 2). Kontrolliere die Waagenanzeige in den folgenden 5 bis 10 Minuten.
 
Stelle ein hohes Becherglas auf eine Waage und leite Kohlenstoffdioxid ein. Beobachte auch hier die Waagenanzeige und vergleiche sie mit der Anzeige von Versuch 1 .
 
Unterschichte farblosen Alkohol vorsichtig mit Methylblaulösung. Welche Beobachtung kann man nach einiger Zeit machen?

Diffusion einer Farblösung in Alkohol
Bild 3. Diffusion einer Farblösung in Alkohol bei Versuchsbeginn,
nach einer Stunde und nach einem Tag.

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.

 
Als Diffusion bezeichnet man die Vermischung und Ausbreitung von Stoffen. Diese Vermischung geschieht aufgrund der Eigenbewegung der Feinteilchen von selbst
 
Beim Lösen diffundieren die Teilchen eines Feststoffes in eine Flüssigkeit

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).

 
Gib Zucker in ein Glas mit heißem Tee und rühre nicht um! Wie verhält sich der Zucker? (Nutze zur Erklärung das Dalton-Modell) Begründe, warum der Tee beim Umrühren schneller süß wird.

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.

 
Man stülpt ein Becherglas über eine Tonzelle und leitet Wasserstoff ein. Wie in Bild 3 ist die Tonzelle mit einer Waschflasche verbunden. Die Einleitung von Wasserstoff wird beendet, sobald ein Ergebnis erkennbar ist. Was geht in der Waschflasche nun vor?
 
Bei vergoldeten Bleistäben kann man in deren Innern nach einiger Zeit Gold nachweisen. Wie kann dies erklärt werden?
 
Die Diffusionsgeschwindigkeit nimmt mit der Masse der Teilchen ab

Unterschiedliche Diffusionsgeschwindigkeit von Wasser und Luft
Bild 3. In dem Versuch wird die unterschiedliche Diffusionsgeschwindigkeit von Wasserstoff und Luft gezeigt. Dabei wird auch deutlich, dass Gase durch eine Tonwand diffundieren können.

Mittlere Geschwindigkeit der Teilchen verschiedener Gase in km / h
Gas 0°C 100°C 1000°C
Wasserstoff 6 102 7 128 13 320
Sauerstoff 1 530 1 782 3 348
Stickstoff 1 634 1 904 3 578
Kohlenstoffdioxid 1 303 1 519 2 855

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