Konzentrationsgefälle

Konzentrationsgefälle zweier Lösungen

Man spricht von einem Konzentrationsgefälle oder Konzentrationsgradienten (ungenau auch Stoffgradient genannt), wenn zwischen einem Ort x0 und einem Ort x1 sich die Konzentration eines Stoffes von c1 zu c2 ändert.

Die Diffusion von Stoffen erfolgt aufgrund eines Konzentrationsgradienten. Als elektrochemischen Gradienten bezeichnet man das Konzentrationsgefälle von gelösten Ionen, dieses hat eine herausragende Bedeutung für biologische Systeme, insbesondere den zellulären Energiestoffwechsel und die Nervenleitung.

Im engeren Sinne bezeichnet der Konzentrationsgradient eine kontinuierliche Änderung der Konzentration. Der Konzentrationsgradient ist dann das Maß der raumbezogenen Änderung und damit des Gradienten einer Konzentration eines chemischen Stoffes. Es ist der Quotient (genauer: Differentialquotient) aus Konzentrationsunterschied und der Strecke zwischen zwei Punkten in diesem Raum:

Im eindimensionalen Fall: $ \frac{dc}{dx} $
(mit dc: Änderung der Konzentration des Stoffes, dx: Ortsunterschied).

Mithilfe des Nabla-Operators kann der Konzentrationsgradient im 3-Dimensionalen folgendermaßen dargestellt werden:

$ \vec\nabla c= \left(\frac{\partial c}{\partial x},\frac{\partial c}{\partial y},\frac{\partial c}{\partial z}\right)^{T} $

Hierbei bezeichnet c die Konzentration; x, y, z sind die Komponenten des Ortsvektors.

Beispiele bei denen das Konzentrationsgefälle wichtig ist

einfacher Gradientenmischer

Eine Anwendung in der chemischen/biochemischen Trennung ist die Gradientenelektrophorese. Dabei wird zuvor in einem Gelgemisch ein Gradient erzeugt. Dabei kann es sich um einen Geldichte-Gradient (variable Porenweite) oder auch um einen pH-Gradient (meist mit Ampholyten) handeln. Bei der folgenden elektrophoretischen Trennung konzentrieren sich dann die Stoffe in einem entsprechenden Sektor.

Eine weitere Anwendung ist die Trennung von Stoffgemischen im Dichtegradienten (z.B. aus Saccharose, oder Caesiumchlorid) durch Ultrazentrifugation.

Bei der Chromatografie werden oft mobile Phasen mit sich in der Zeit verändernden Zusammensetzungen angewendet, um verschiedene adsorbierte Stoffe nach einander zu eluieren.

In der Biologie spielen Stoffgradienten eine erhebliche Rolle:

  • bei der Chemotaxis
  • im Energiestoffwechsel der Zellen
  • in der Morphogenese und während der Embryonalentwicklung (Embryogenese)
  • Ausscheidungsorgane (Nephridien) wie die Niere
  • Atmungsorgane wie Haut, Kiemen und Lunge

Auch in der Geochemie und Ökologie sind Stoffgradienten bedeutsam, beispielsweise Gradienten der Sauerstoffkonzentration oder Schwefelwasserstoffkonzentration.

Siehe auch

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