Icon up Overzicht

Diffusie: deeltjestransport in een vloeistof

Onderwerp: Gas en vloeistof

In ons lichaam zitten cellen. Deze cellen hebben voedingsstoffen zoals zout nodig om te kunnen overleven. De vraag is nu natuurlijk hoe die voedingsstoffen van één plaats in je lichaam heel je lichaam door kunnen gaan en hoe ze uiteindelijk in de cel komen.

Proefje om thuis te doen:

Vul een bak met lauw water. Pak een inktpatroon en knip deze stuk boven de bak met water en kijk hoe de inkt zich door het hele water verspreidt.

Beginsituatie

Eindsituatie

Bij het proefje zien we dat er in het begin heel veel inkt op één plaats zit en dat er op andere plaatsen geen inkt is; er is sprake van een concentratieverschil. Er is vrij snel te zien dat de inkt zich heel snel naar alle kanten verspreidt. Als we een tijd wachten zien we dat de kleur van het water overal gelijk is geworden, het is overal een stuk blauwer/donkerder geworden en het lijkt net of er niets meer gebeurt met de inkt. We zeggen dan dat er een evenwicht is ontstaan; er is dan geen concentratieverschil meer.

Het is bekend dat moleculen willekeurig bewegen en onderling botsen (brownian motion of Brownse beweging); dat gebeurt dus ook in water. Door de botsingen wordt de baan van de moleculen veranderd. Zo kan het gebeuren dat een molecuul dat eerst linksboven in een emmer zit uiteindelijk rechtsonder in de emmer terecht komt. Het zelfde gebeurt met de inktmoleculen: De watermoleculen botsen tegen de inktmoleculen en zo worden de inktmoleculen verspreid in het water.

Geschiedenis

Wetenschappers konden rond 1900 wel zien dat stuifmeel, zoals we gezien hebben bij de inkt, zich verspreidde in water maar konden dit niet goed verklaren. Er waren daar twee ideeën over die niet goed met elkaar klopten:

  1. Als watermoleculen zo klein zijn, hoe kan het dan gebeuren dat een groot molecuul als stuifmeel door botsingen wordt verplaatst? Het stuifmeel is immers veel zwaarder dan de watermoleculen.
  2. Als watermoleculen bewegen met een snelheid van 1000 m/s, dan botsen de moleculen heel vaak, ongeveer 1012 botsingen per seconde. Hoe kunnen we dan de botsingen met het stuifmeel wel zien?

Einstein kwam in 1905 met de oplossing voor het probleem. De twee problemen heffen elkaar op. Er zijn zoveel botsingen per seconde dat een groot molecuul als stuifmeel verplaatst kan worden. Wat we zien is dus niet één botsing met een stuifmeel molecuul, maar heel veel botsingen met een stuifmeelmolecuul!

Toepassing van deze geschiedenis

De informatie die bij de geschiedenis is uitgelegd kunnen we gebruiken om diffusie te verklaren. De kleine moleculen (water) botsen met de grote moleculen (inkt). Door elke botsing beweegt het inktmolecuul een heel klein stukje, met 1012botsingen per seconde kun je je wel voorstellen dat het inktmolecuul zichtbaar beweegt! Tevens kunnen we de informatie gebruiken om het evenwicht dat ontstaat te snappen. We stellen ons voor dat op een bepaald moment overal inktmoleculen zitten, zoals we dat noemen homogeen verdeeld (overal even veel). Alle moleculen bewegen, onafhankelijk van elkaar, een willekeurige kant op. Netto gezien bewegen er even veel inktmoleculen naar links als naar rechts. We zien dus geen verandering van concentratie meer in het water.

Weetjes omtrent diffusie

Voor diffusie bestaat niet een directe formule zoals bijvoorbeeld voor de wet van Ohm, maar een wiskundige vergelijking die opgelost kan worden. In deze vergelijking staat de ‘constante’ D. Deze D is de diffusiecoëfficiënt. Deze is niet voor ieder stof hetzelfde maar is afhankelijk van onder andere de temperatuur, de viscositeit (stroperigheid van een stof), de dichtheid en de grootte van de moleculen. Een nadeel van de diffusiecoëfficiënt is dat deze niet berekend kan worden maar met behulp van experimenten vastgesteld moet worden. Pas na het vaststellen van de diffusiecoëfficiënt kunnen er berekeningen gedaan worden omtrent de snelheid van het bereiken van het evenwicht, of bijvoorbeeld het aantal deeltjes op een bepaalde plaats.

Toepassing van diffusie

Diffusie speelt niet alleen een rol in een vloeistof. Wanneer je een flesje met parfum open doet is het ook dankzij diffusie dat de gehele kamer naar de parfum gaat ruiken. Als je goed kijkt naar een zakje thee dat je in het bijna kokende water doet zie je ook het diffusieverschijnsel. Ook in de verpakkingsindustrie speelt diffusie een rol. Etenswaren die droog moeten blijven moeten goed afgesloten worden, want waterdamp diffundeert door de verpakking heen. Zo zijn er nog tal van voorbeelden waarin diffusie een belangrijke rol speelt.