Diffusion findet ständig und in vielen Bereichen der Chemie und der Biologie statt. Zum Beispiel spielt die Diffusion bei überlebenswichtigen Funktionen wie der Wasseraufnahme von Pflanzen und dem Gasaustausch in unseren Lungen eine wichtige Rolle. Doch auch im alltäglichen Leben ist die Diffusion regelmäßig zu beobachten, zum Beispiel wenn der Geruch von Kaffee sich morgens in der Wohnung verteilt oder wenn sich Zucker in heißem Tee auflöst.
Definition des Begriffs Diffusion
Die Diffusion beschreibt die passive Eigenbewegung von Stoffteilchen bzw. den passiven Stofftransport entlang eines Konzentrationsgefälles. Letztendlich führt die Diffusion dabei zu einem Konzentrationsausgleich zwischen unterschiedlichen Stoffen. Diese Stoffe sind meistens flüssig oder gasförmig, können aber in seltenen Fällen auch fest sein.
Ist ein Ausgleich zwischen den Konzentrationen hergestellt, spricht man vom thermodynamischen Gleichgewicht.
Wörtlich leitet sich das Wort Diffusion aus dem Lateinischen diffusio für "Ausbreitung" oder "Auseinanderfließen" ab. Die Diffusion ist irreversibel. Sie kann lediglich durch die Nutzung von Energie rückgängig gemacht werden.
In der Biologie kann zwischen aktivem Transport und passivem Transport unterschieden werden. Im Vergleich zu passivem Transport, benötigt aktiver Transport Energie (zum Beispiel durch ATP).
Aktiver Transport wird dann benötigt, wenn Stoffe entgegen eines Konzentrationsgradienten transportiert werden müssen - z. B. durch die Natrium-Kalium-Pumpe.
Mehr Informationen zum Stofftransport findest du im gleichnamigen Artikel auf StudySmarter.
Diffusion einfach erklärt
Die Diffusion gleicht durch die ungerichtete Eigenbewegung von Teilchen ein Konzentrationsgefälle zwischen zwei Stoffen aus. Dabei kommt es zu einem passiven Stofftransport entlang des Konzentrationsgefälles. Die Teilchen diffundieren also vom Ort der höheren Konzentration zum Ort der niedrigeren Konzentration. Letztendlich wird so ein Konzentrationsausgleich herbeigeführt, also eine Vermischung der Stoffe. Hierdurch wird die von der Natur angestrebte Gleichverteilung der Teilchen im Raum erreicht.
Theorie zur Diffusion
In der Natur wird stets ein Konzentrationsausgleich angestrebt. Die Diffusion ist dabei eine mehrerer Möglichkeiten.
Verursacht wird die Diffusion durch die zufällige und unterrichtete Eigenbewegung der Stoffteilchen. Zu diesen Teilchen gehören zum Beispiel Atome, Moleküle oder freie Neuronen. Die Brownsche Molekularbewegung ist das physikalische Gesetz, welches die Ursache der Diffusion beinhaltet.
Die Brownsche Molekularbewegung beschreibt die zufälligen und ungerichteten thermischen Bewegungen von Teilchen. Diese Teilchen bewegen sich allein in dem Raum, stoßen jedoch gegeneinander, wodurch sich ihre Bewegungsrichtung ändert.
Erst bei -273,15* Celsius (absoluter Nullpunkt) bewegen sich die Teilchen nicht mehr.
Diffusion von Gasen
Die Diffusion von Gasen unterscheidet sich nur wenig von der Diffusion von gelösten Stoffen in Flüssigkeiten. Allerdings ist die Bewegung der Teilchen in Gasen sehr viel schneller als in Lösungen, sodass es zu einer höheren Geschwindigkeit der Diffusion und zu einem schnelleren Gasaustausch kommt.
Diffusion von festen Stoffen
Meistens handelt es sich bei einer Diffusion um die Durchmischung von gasförmigen oder flüssigen Stoffen. Allerdings ist auch bei Festkörpern, wie Kristallen, eine Diffusion möglich. Dafür benötigt es Fehler in dem sonst "perfekten" Kristallgitter. Gibt es diese Gitterfehler, werden die Leerstellen durch Platzwechsel von Ionen oder Atomen besetzt und bewegen sich so durch das Gitter. Ein Fluss von Teilchen entsteht.
Nachgewiesen wurde dieser Mechanismus durch den Kirkendall-Effekt.
Zudem kommt es zu Ringtauschen, wenn einzelne Teilchen schlicht ihre Plätze wechseln. Auch ist es kleinen Teilchen möglich, sich durch die Zwischenräume der Gitter zu bewegen.
Beispiele für Diffusion
In unterschiedlichen alltäglichen Situationen findet eine Diffusion statt. Zum Beispiel, wenn sich der Geruch von Kaffee oder Duftkerzen im Raum verteilt, wenn Zucker sich in heißem Tee auflöst und wenn durch Ausgleich von Temperaturunterschieden Wind entsteht.
Um die Diffusion sichtbar zu machen, wird häufig auf das Beispiel mit Tinte und Wasser zurückgegriffen.
Gibt man ein paar Tropfen Tinte oder auch Lebensmittelfarbe in ein Glas Wasser, ist eine Diffusion zu beobachten. Sie geschieht durch die zufällige und unterrichtete Bewegung der Teilchen der Tinte und dem Wasser. Es ist zu sehen, dass die Farbe nicht starr an einer Stelle bleibt, sondern nach kurzer Zeit das gesamte Wasser gleichmäßig eingefärbt ist.
Übrigens bewegen sich die Teilchen auch nach dem vollständigen Konzentrationsausgleich weiter - es ist nur keine Veränderung mehr mit dem menschlichen Auge wahrzunehmen.
Geschwindigkeit der Diffusion
Die Geschwindigkeit, mit der die Diffusion abläuft wird als Diffusionsgeschwindigkeit bezeichnet. Je höher sie ist, desto schneller tritt der Konzentrationsausgleich ein. Mehrere Faktoren beeinflussen diese Geschwindigkeit. Dazu zählen die Temperatur, der Konzentrationsunterschied, die Größe der Moleküle, die Viskosität und die Distanz zwischen den Molekülen.
Im Fickschen Diffusionsgesetz ist die quantitative Beziehung dieser Faktoren zusammengefasst.
Temperatur
Je höher die Temperatur, desto höher ist auch die Teilchenbewegung. Das heißt, dass mit der Temperatur die Schnelligkeit der Eigenbewegungen der Teilchen steigt und so auch die Zusammenstöße und die Anzahl der Richtungswechsel zunehmen. Deshalb tritt bei einer hohen Temperatur der Konzentrationsausgleich und damit eine Durchmischung schneller ein, als bei einer niedrigen Temperatur.
Zu erkennen ist der Einfluss des Faktors Temperatur auf die Diffusionsgeschwindigkeit zum Beispiel bei der Zubereitung von Tee. Je heißer das Wasser ist, desto schneller kommt es zu einem Konzentrationsausgleich.
Abbildung 2: Diffusionsgeschwindigkeit und der Faktor Temperatur: Zubereitung von Tee. Quelle: sofatutor.com
Konzentrationsunterschied
Die treibende Kraft der Diffusion ist der Konzentrationsunterschied. Je höher dieser Unterschied der beiden Konzentrationen ist, desto schneller ist die Geschwindigkeit der Diffusion.
Je mehr Tinte in das Glas Wasser getropft wird, desto frühzeitiger kommt es zu einem Konzentrationsausgleich –und desto schneller ist also das gesamte Wasser gleichmäßig blau.
Größe der Moleküle
Die Teilchengröße der Moleküle hat Einfluss darauf, wie groß der Widerstand ist, den sie durch ihre Bewegung im Lösungsmittel erfahren. Je größer der Durchmesser des Moleküls ist, desto mehr Widerstand erfährt es durch das Lösungsmittel und desto geringer ist die Diffusionsgeschwindigkeit. Je kleiner die Moleküle sind, desto schneller können sie diffundieren.
Vor allem bei der Diffusion durch Biomembranen spielt die Größe der Moleküle eine entscheidende Rolle.
Viskosität
Die Beschaffenheit des Lösungsmittels, durch welches sich die Moleküle bei der Diffusion bewegen, hat ebenfalls Einfluss auf die Diffusionsgeschwindigkeit. Besitzt das Lösungsmittel (Medium) eine hohe Viskosität, ist es also sehr zähflüssig, können sich die Moleküle nur langsam bewegen. Hat das Medium jedoch eine nur geringe Viskosität, können sich die Moleküle schneller bewegen und die Diffusionsgeschwindigkeit nimmt zu.
Bei Wasser handelt es sich um ein Medium mit sehr geringer Viskosität - das bedeutet, dass die Tinte recht schnell diffundieren in Wasser diffundieren kann. Öl dagegen ist viel zähflüssiger als Wasser - hat also eine höhere Viskosität. Die Diffusionsgeschwindigkeit von Tinte in Öl ist deshalb geringer.
Distanz
Auch die zurückzulegende Strecke der Moleküle hat Einfluss auf die Geschwindigkeit der Diffusion. Je länger die Strecke ist, desto geringer ist die Diffusionsgeschwindigkeit und desto langsamer tritt auch der Konzentrationsausgleich ein.
Die Diffusion von Molekülen innerhalb einer Zelle läuft dementsprechend in der Regel sehr schnell, innerhalb von Millisekunden, ab. Müssen Moleküle jedoch über eine längere Strecke, also zum Beispiel mehrere Zentimeter diffundieren, kann dies Stunden dauern.
Diffusion in der Biologie
Die Diffusion ist ein passiver Transportprozess, bei dem sich die Stoffe entlang des Konzentrationsgradienten bewegen, also vom Ort der hohen Konzentration zum Ort der niedrigen Konzentration. Dieser Konzentrationsunterschied ist die Triebkraft für den passiven Transport, weshalb keine von außen zugefügte Energie (ATP) benötigt wird.
Vor allem die Diffusion durch die Zellmembran, welche alle Prokaryoten und Eukaryoten besitzen, spielt in der Biologie eine wichtige Rolle. Diese Membran wird als semipermeabel bezeichnet, sie ist also halbdurchlässig. Das bedeutet, dass nur einige Stoffe durch die Membran hindurch diffundieren können und andere nicht.
Auch bei Pflanzen spielt die Diffusion, insbesondere für die Aufnahme von Wasser, eine bedeutende Rolle. Dabei gelangt Wasser durch die Zellwand und die Zellmembran in das Innere der Zelle und wird dort in den Vakuolen gespeichert.
Unterschieden wird bei der Diffusion durch Biomembranen in einfache Diffusion und erleichterte Diffusion.
Zu den Eigenschaften der Biomembran findest du ausführlichere Informationen in dem Artikel semipermeable Membran.
Einfache Diffusion
Die einfache Diffusion läuft automatisch ab und ist nicht auf zugesetzte Energie durch ATP oder andere Hilfsmittel angewiesen. Kleine und fettlösliche Teilchen und Moleküle wie zum Beispiel Wasser und Sauerstoff können ohne weiteres durch die Biomembran diffundieren. Die Schnelligkeit der Diffusion hängt dabei unter anderem von der Größe der Moleküle ab.
Angetrieben wird die einfache Diffusion durch den Konzentrationsunterschied zwischen dem interzellulären und dem extrazellulären Raum, also dem Inneren und dem Äußeren der Zelle.
Erleichterte Diffusion
Von einer erleichterten Diffusion (auch: gerichtete Diffusion, kanalvermittelte Diffusion oder Permeabilität) wird gesprochen, wenn für den passiven Transport durch die Biomembran Kanalproteine (Tunnelproteine) benötigt werden. Die Kanalproteine fungieren bei der erleichterten Diffusion wie Tunnel durch die Biomembran. So wird Molekülen, die ansonsten die Biomembran nicht einfach durchdringen können, die Diffusion erleichtert bzw. ermöglicht.
Meistens ist dies für recht große oder geladene Teilchen (Ionen) notwendig.
Diese Teilchen können nicht nur mit Kanalproteinen, sondern auch mit Hilfe von Transportproteinen (Carriern) durch die Biomembran transportiert werden. Dies ist allerdings langsamer als die Nutzung der Kanalproteine.
Weitere Informationen dazu gibt es im Artikel zur erleichterten Diffusion.
Osmose
Bei der Osmose handelt es sich um einen speziellen Fall der Diffusion.
Osmose beschreibt den Konzentrationsausgleich zweier gelöster verschiedener Stoffe, die durch eine nur halbdurchlässige Biomembran voneinander abgetrennt sind.
Im Fall der Osmose diffundiert in der Regel lediglich das Lösungsmittel durch die semipermeable Biomembran, um den Konzentrationsunterschied auszugleichen.
Durch die Diffusion des Lösungsmittels kommt es auf der Seite mit der höher konzentrierten Lösung deshalb zu einer Verdünnung und damit zu einem Ausgleich. Die Osmose hält so lange an, bis die Konzentration der Stoffe auf beiden Seiten gleich ist.
Meistens handelt es sich bei dem Lösungsmittel um Wasser, sodass Osmose auch als Wasserdiffusion bezeichnet wird.
Die wirkende Kraft der Diffusion bei der Osmose ist der osmotische Druck. Worum es sich dabei handelt und viele weitere Informationen findest du im Artikel zu Osmose auf StudySmarter.
Diffusion – Das Wichtigste
- Die Diffusion ist ein physikalischer Prozess, der auch in der Chemie und vor allem der Biologie von großer Bedeutung ist.
- Angetrieben durch ein Konzentrationsgefälle, kommt es bei der Diffusion zu einem passiven Stofftransport mit dem Ziel des thermodynamischen Gleichgewichts, also einem Konzentrationsausgleich der Stoffe.
- Diffusionen sind insbesondere bei flüssigen und gasförmigen Stoffen, jedoch zum Teil auch bei festen Stoffen zu beobachten.
- Die Diffusionsgeschwindigkeit hängt von der Temperatur, der Viskosität, der Distanz, des Konzentrationsgefälles und der Größe der Moleküle ab.
- Unterschieden wird bei der Diffusion durch eine Biomembran in die einfache und die erleichterte Diffusion.
- Die Osmose ist ein Spezialfall einer Diffusion.
Schule 
Studium 
Ausbildung 
Karteikarten Erstelle und finde die besten Karteikarten.
Notizen Erstelle Notizen schneller als je zuvor.
Lernsets Alles was du brauchst an einem Ort.
Lernpläne Wöchentliche Ziele, Lern-Reminder, und mehr.
Spaced Repetition Nachhaltiger lernen.
AI powered learning Mithilfe unserer KI zum Lernerfolg
Blog 
