Diffusionsgleichgewichte

Diffusion, Chemisches Gleichgewicht, Brownsche Bewegung
Zweidimensionale Brown’sche Bewegung , © Grafik: klaus Ruppersberg

Ein Thema nicht nur für den Anfangsunterricht

Klaus Ruppersberg
Diffusion, der Prozess, der aufgrund der Brownschen Molekularbewegung zur Durchmischung von Stoffen führt, ist traditionell ein Thema in den ersten Wochen des Chemie-Anfangsunterrichts. Das chemische Gleichgewicht taucht eher am Ende der Sekundarstufe I auf und wird ausführlich erst in Oberstufe bearbeitet. Doch was haben diese beiden Themen miteinander zu tun?
Das Phänomen der Diffusion tritt überall dort auf, wo es Gradienten in Eigenschaften gibt. Einfache Beispiele hierfür sind das Zerbrechen eines Parfumfläschchens im Badezimmer (Abb.1 ) oder ein Tropfen blauer Tinte in einem Wasserglas (Abb.2 ).
Die Brownsche Bewegung
Voraussetzung für Diffusion ist die Brownsche Bewegung, die im Jahr 1827 vom schottischen Botaniker Robert Brown beim Mikroskopieren von Pollenkörnern in einem Wassertropfen entdeckt wurde und deren Ursache eine ungeordnete Wärmebewegung ist (Abb.3 ).
In einem geschlossenen System (Abb.1 und 2) führt Diffusion zu einer Gleichverteilung, also zu einer vollständigen Durchmischung. Die Bewegung der Teilchen findet natürlich auch danach noch statt, es ist jedoch kein Gradient mehr vorhanden. Auch im Prozess des Chemischen Gleichgewichts ist dies der Fall: In einem geschlossenen System stellt sich ein stabiler Gleichgewichtszustand ein, in dem nach wie vor Reaktionen stattfinden, sich das Reaktionsverhältnis aber nicht mehr messbar verändert. Ebenso wie bei einem Reaktionsgleichgewicht spricht man daher von einem Diffusionsgleichgewicht.
Ein Blick in die Natur: Gleich-gewicht oder Gradient?
In der realen Welt, also außerhalb von Versuchsbedingungen, liegen in der Regel offene Systeme vor. Eine Flasche Mineralwasser, die bei gleichbleibender Temperatur im Regal eines Supermarktes steht, kann als Modell für das CO2/HCO3-Gleichgewicht dienen: Im Augenblick des Öffnens verändern sich die Bedingungen, das Gleichgewicht stellt sich zunächst an der Grenzfläche Wasser Luft neu ein. Damit verbunden sprudelt die Flüssigkeit in der Flasche auf, weiteres Kohlenstoffdioxid geht in die Gasphase über und steigt an die Oberfläche auf das CO2/HCO3-Gleichgewichts stellt sich in Abhängigkeit von Druck und Temperatur neu wieder ein. Dies passiert auch in natürlichen Systemen wie Seen oder den Ozeanen [1] und führt dort beispielsweise zu Transportprozessen in tiefere Schichten der Ozeane [1]. Auch im menschlichen Körper spielt dieses Gleichgewicht eine besondere Rolle, atmen wir doch ständig Kohlenstoffdioxid aus!
Diffusionsprozesse finden in natürlichen Systemen ebenfalls statt. Sie sind in der Regel nicht beschränkt auf eine Substanz, vielmehr können verschiedene Diffusionsprozesse nebeneinander oder auch miteinander gekoppelt ablaufen.
Literatur
[1]Paschmann, A.; de Vries, T.; Lüchtenborg, K.; Arshadi, N.; Parchmann, I.: Die Bedeutung der Ozeane im Kohlenstoffkreislauf, Teil 1, MNU 53/3 (2000) S.170 – 175; Teil 2, MNU 53/4 (2000) S.227 – 231

Friedrich+ Chemie

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Fakten zum Artikel
aus: Unterricht Chemie Nr. 166 / 2018

Chemisches Gleichgewicht

Friedrich+ Kennzeichnung Praxis Schuljahr 11-13