Wat is diffusie?

In algemene termen betekent diffusie eenvoudigweg het verspreiden van een stof of kwaliteit van een gebied met een relatief hoge concentratie naar een gebied met een lagere concentratie. De term wordt meestal gebruikt om het proces te beschrijven waarmee moleculen van verschillende typen een uniforme concentratie bereiken, nadat ze aanvankelijk ongelijk verdeeld zijn, door hun willekeurige bewegingen. Dit wordt soms moleculaire diffusie genoemd en het speelt een belangrijke rol in veel gebieden van de natuurkunde, scheikunde en biologie. Het is nauw verwant aan de manier waarop cellen voedingsstoffen opnemen, dus zonder deze zou het leven niet kunnen bestaan. De term kan ook verwijzen naar de verspreiding van warmte of licht, of, in de context van de sociale wetenschap, de verspreiding van ideeën of innovaties door de samenleving.

Moleculaire diffusie

Moleculen zijn constant in beweging, vanwege de aanwezigheid van warmte; zelfs bij extreem lage temperaturen is er enige warmte-energie aanwezig die deeltjes thermische beweging geeft. In vaste stoffen worden de deeltjes in een relatief stijve structuur gehouden en kunnen ze niet te ver van hun startposities afdwalen, maar in vloeistoffen en gassen zijn ze vrij om op een minder beperkte manier te bewegen. Deze beweging is willekeurig, omdat de moleculen constant van elkaar stuiteren, zodat er geen algeheel patroon is. Deze willekeurige beweging maakt diffusie mogelijk. De snelheid waarmee het fenomeen optreedt neemt toe met de temperatuur, naarmate de snelheid waarmee de deeltjes bewegen toeneemt.

Als twee verschillende gassen op dezelfde temperatuur met elkaar in contact worden gebracht, zullen ze na verloop van tijd door de willekeurige beweging van hun moleculen mengen totdat ze gelijkmatig zijn verdeeld, zonder de invloed van externe factoren. Een soortgelijk fenomeen kan vaak worden waargenomen met twee verschillende vloeistoffen, maar soms, vanwege chemische factoren, zullen de vloeistoffen niet mengen. Het toevoegen van plantaardige olie aan water leidt bijvoorbeeld niet tot diffusie. Wanneer een vaste stof in een vloeistof wordt opgelost, diffunderen de moleculen door de vloeistof.

In vloeistoffen die mengen, kan diffusie waarneembaar zijn als de vloeistoffen verschillende kleuren hebben. Dit fenomeen moet echter niet worden verward met convectie of advectie, die de bulkbeweging van vloeistoffen door stromen met zich meebrengen die een energiebron vereisen. Diffusie is een vorm van wat wetenschappers passief transport noemen, wat betekent dat beweging plaatsvindt zonder dat extra energie nodig is. In het vaak geciteerde voorbeeld van een druppel gekleurde kleurstof die aan een glas water wordt toegevoegd, is veel van de vermenging die optreedt eigenlijk te wijten aan de stromingen die worden veroorzaakt door de initiële beweging van de druppel kleurstof onder zwaartekracht. In experimenten die deze en soortgelijke effecten elimineren, kan ware diffusie worden waargenomen; gekleurd water diffundeert bijvoorbeeld door een gel, maar dit is een veel langzamer proces.

Belang voor het leven

Diffusie speelt ook een rol in de processen die betrokken zijn bij het leven van een cel, met name het transport van voedingsstoffen, aminozuren en andere essentiële stoffen van de ene plaats naar de andere. Osmose, het proces waarbij moleculen over de wanden en membranen van afzonderlijke planten- en dierlijke cellen worden getransporteerd, is een vorm van diffusie. Een celwand is een selectief permeabel membraan, of een waardoor bepaalde moleculen kunnen passeren, maar andere niet. Als er aan de ene kant van een membraan een oplossing met een hoge concentratie is, terwijl aan de andere kant dezelfde oplossing in een lagere concentratie is, zal het oplosmiddel de neiging hebben om naar het gebied met hogere concentratie te bewegen totdat de twee oplossingen evenwicht bereiken . Dit kan alleen gebeuren als de moleculen van de opgeloste stof - de opgeloste stof - groter zijn dan die van het oplosmiddel. De kleinere oplosmiddelmoleculen kunnen het membraan passeren, terwijl de grotere te groot zijn om dit te doen, en aan de andere kant moeten blijven.

Andere vormen van diffusie

Diffusie kan ook de verspreiding van warmte door een vaste stof betekenen, hoewel dit meestal wordt aangeduid als geleiding en de verspreiding van licht door een doorschijnende substantie - bijvoorbeeld matglas in een gloeilamp die wordt gebruikt om een ​​"diffuus" licht te geven dat meer is aangenaam voor het oog. Buiten de context van de natuurkunde kan de term worden gebruikt om de verspreiding van een idee of een innovatieve technologie door een populatie te beschrijven via contact tussen mensen, conformiteit binnen een groep of door observatie van de voordelen voor anderen.