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Diffusion - ein Experiment

Die Natur hat einen Drang zum Ausgleich von Konzentrationsunterschieden. In der Physik wird dieser Vorgang "Diffusion" genannt. Die Wärmeleitung, die unterschiedliche Temperaturen ausgleicht, gilt als bekanntester Diffusionsvorgang. Daneben gibt es jedoch zahlreiche weitere spannende Transportvorgänge, die sich beispielsweise durch Experimente mit Gummbärchen, Früchten oder Kartoffeln vorführen lassen.

Die Natur gleich Konzentrationsunterschiede aus.
Die Natur gleich Konzentrationsunterschiede aus.

Was Sie benötigen:

  • Tomaten
  • Kirschen
  • Kartoffeln
  • evtl. Gummbärchen
  • Wasser
  • Salz
So starten Sie den Kartoffelversuch.
So starten Sie den Kartoffelversuch. © Dr. Hannelore Dittmar-Ilgen

Was ist eigentlich Diffusion?

Die Natur hat die Tendenz, einheitliche Verhältnisse zu schaffen: Heiße Getränke kühlen auf Zimmertemperatur ab und Luftströmungen entstehen, um Temperaturunterschiede auszugleichen. Ein Tropfen Farbe kann einen Wassereimer einfärben und auch Salz- oder Zuckergehalt in Flüssigkeiten gleichen sich aus.

  • Denn die Moleküle haben einen von der Temperatur abhängigen Drang zur Bewegung. Die Erscheinung ist als Brownsche Molekularbewegung bekannt, benannt nach ihrem Entdecker, dem Botaniker Robert Brown. Dieser beobachtete im Jahr 1827 unter dem Mikroskop einen unablässigen Tanz kleiner Teilchen, zunächst in Pflanzenzellen, später in Milchtröpfchen. Brown deutete seine Beobachtung richtig, dass nämlich die Zitterbewegung größerer Teilchen durch die Bewegung der Flüssigkeitsmoleküle hervorgerufen wird. Diese stoßen bei ihren Bewegungen regellos auf die in der Flüssigkeit befindlichen Teilchen. Und je heißer es ist, umso schneller bewegen sich die Moleküle.
  • Alle Ausgleichsvorgänge – das Fachwort heißt Diffusion - beruhen auf dieser völlig regellosen Bewegung der Moleküle. Und mit ihr verteilen sich die Moleküle gleichmäßig auf den vorhandenen Raum, sodass sich nach einiger Zeit alle möglichen Substanzen vollkommen durchmischen, egal ob es sich um Giftgas, harmlose Farbteilchen, Wasser- oder Zuckermoleküle handelt.

Gummibärchen quellen auf

Ein, vor allem für jüngere Kinder, immer wieder faszinerendes Experiment, ist  das Gummibärchen-Experiment. Es beruht auf der Diffusion von Wasser und dem Gummibärchen im Glas. Nach einiger Zeit sind diese "dick und fett" aufgequollen, denn Sie haben durch Diffusion Wassermoleküle aufgenommen. Und wer genau hinsieht, wird bemerken, dass auch etwas von dem äußeren Bärchenmaterial in Lösung gegangen ist. Selbstredend funktioniert dieser Versuch in warmem oder gar heißem Wasser schneller.

Aufgeplatzte Kirschen - ein eigenes Experiment

  • Viele Diffusionsvorgänge, die dem Ausgleich von Stoffkonzentrationen dienen, werden allerdings durch halbdurchlässige Wände (beispielsweise Biomembranen) behindert. Hier entscheidet die Teilchengröße, in welche der Richtung der Ausgleich stattfindet.
  • Nehmen Sie als Beispiel Tomaten oder Kirschen. Auch deren Außenhaut ist eine aus speziellen Eiweißen aufgebaute Barriere und nicht vollkommen dicht. Im ständigen Regen finden kleine Wassermoleküle durch sie ihren Weg in die Tomate, die größeren Zuckermoleküle der Tomate jedoch nicht nach außen. Die Frucht füllt sich langsam aber sicher mit Wasser und platzt dann auf.

Auch dieses Experiment können Sie ganz zwanglos in einem Glas vorführen. Aber auch hier benötigen Sie natürlich Zeit.

Kartoffelwürfel - ein eindrucksvoller Versuch

Wesentlich eindrucksvoller ist aber folgendes Experiment, das noch einmal die Wichtigkeit des Konzentrationsunterschiedes verdeutlicht:

  1. Zunächst bereiten Sie einige etwa gleichgroße Würfel von geschälten Kartoffeln vor, die in drei Gläser mit Wasser aufgeteilt werden.
  2. In das erste Glas fügen Sie eine große Hand voll Salz hinzu, in das zweite Glas nur ein oder zwei Prisen, in das dritte Glas kommt nichts. Die Salzlösung in Glas 1 ist mit zwei Esslöffeln Salz wahrscheinlich sogar so konzentriert, dass am Anfang die Kartoffeln sogar schwimmen.
  3. Aber nach drei Stunden kann man erstaunliche Veränderungen beobachten: Die Würfel im ersten Glas sind geschrumpft, sogar kleine Einbeulungen sind sichtbar. Nimmt man sie heraus, erscheinen die Stücke merkwürdig erschlafft. Hier ist eindeutig ein Teil des Wassers in den Kartoffelstückchen in die Salzbrühe diffundiert. 
  4. Die Würfel im zweiten Glas haben in etwa ihre Größe behalten, denn die Salzkonzentrationen sind in Wasser und Kartoffel nahezu gleich.
  5. Im dritten Glas sind die Würfel aufgequollen, da Wasser in die Kartoffelstückchen diffundiert ist.

Der Versuch zeigt: Die Natur versucht stets, Konzentrationsunterschiede durch die Diffusion von Stoffen auszugleichen.

Das ist das Ergebnis des Diffusionsexperimentes.
Das ist das Ergebnis des Diffusionsexperimentes. © Dr. Hannelore Dittmar-Ilgen
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