Diffusion

Vorwissen: Teilchenmodell. Eine blaue Lösung wird vorsichtig über eine dichtere gelbe Lösung geschichtet. Was sieht man mit der Zeit im Standzylinder, und was machen dabei die Teilchen?

Beobachten und deuten

Starte den Versuch bei Raumtemperatur mit „1 Tag pro Sekunde“. Beschreibe, was du im Standzylinder siehst (Stoffebene).
Schau in die drei Lupen. Gibt es grüne Teilchen? Wie entsteht dann die grüne Farbe?
Bewegen sich die Teilchen in der oberen Lupe auch schon, bevor sich dort die Farbe ändert?
Ziehe die linke Lupe langsam von oben nach unten durch den Standzylinder. Wie ändert sich das Verhältnis von blauen und gelben Teilchen?
Vergleiche kalt und heiß: Was ändert sich im Standzylinder, was bei den Teilchen?
Erkläre mit dem Teilchenmodell, warum sich die Lösungen ohne Umrühren trotzdem vermischen.

Temperatur

Die linke Lupe lässt sich am Standzylinder nach oben und unten ziehen (oder mit den Pfeiltasten verschieben).

Zeit

Zeitraffer im Standzylinder:

Laborzeit: 0 min

Die Lupen laufen immer ohne Zeitraffer.

Zahlen im Hintergrund und Grenzen des Modells

Der Standzylinder ist 10 cm hoch gefüllt, die gelbe Lösung ist dichter und liegt unten. Die Grenze liegt zu Beginn bei 5 cm. Die festen Lupen schauen bei 7,5 cm, 5 cm und 2,5 cm hinein, die linke Lupe an einer frei wählbaren Stelle. Beim Verschieben zeigt sie neue Teilchen dieser Stelle.
Im Standzylinder wird die Diffusion mit einem typischen Diffusionskoeffizienten für kleine Farbstoffteilchen in Wasser berechnet: D = 5 · 10⁻¹⁰ m²/s bei 20 °C. Die Breite der grünen Schicht wächst mit der Wurzel der Zeit: Viermal so lange warten ergibt eine etwa doppelt so breite Schicht.
Temperatur: Wärmeres Wasser ist weniger zäh (Viskosität 1,52 mPa·s bei 5 °C, 1,00 mPa·s bei 20 °C, 0,47 mPa·s bei 60 °C). Nach der Stokes-Einstein-Beziehung (D ∝ T/η) ist die Diffusion bei 5 °C etwa 0,6-mal und bei 60 °C etwa 2,6-mal so schnell wie bei 20 °C. Die Zitterbewegung in den Lupen ist im gleichen Verhältnis schneller oder langsamer.
Die Lupen sind millionenfach vergrößert und zeigen nur einen winzigen Ausschnitt. Echte Teilchen sind viel kleiner, viel schneller und viel zahlreicher. Auf ein Farbstoffteilchen kommen in Wirklichkeit Tausende Wasserteilchen.
Die Teilchen färben sich nie um. Die Mischung entsteht nur dadurch, dass blaue und gelbe Teilchen durch ihre Bewegung in die andere Schicht wandern. „Grün“ ist der Farbeindruck vieler blauer und gelber Teilchen nebeneinander.
Die dichtere Lösung liegt unten, deshalb bleibt die Schichtung stabil. Strömungen durch Erschütterungen oder kleine Temperaturunterschiede sind nicht eingerechnet. Im echten Versuch kann die Mischzone deshalb schneller wachsen als hier.
Wie das gerechnet und gezeichnet ist, steht ausführlich unter Methoden.