Fortgeschritten #69

Starke Abnahme der Diffusion bei sinkender Temperatur

Die Selbstdiffusion von Wasser verlangsamt sich bei Abkühlung stärker als bei anderen Flüssigkeiten.

Wissenschaftliche Erklärung

Die Selbstdiffusion beschreibt, wie schnell sich einzelne Moleküle in einer Flüssigkeit durch die thermische Bewegung fortbewegen. In den meisten Flüssigkeiten nimmt der Diffusionsköffizient bei Abkühlung gemäss der Arrhenius-Gleichung gleichmässig ab. Bei Wasser ist die Abnahme deutlich steiler, insbesondere bei niedrigen Temperaturen.

Bei Raumtemperatur (25 Grad Celsius) beträgt der Selbstdiffusionsköffizient von Wasser etwa 2,3 mal 10 hoch minus 5 Quadratzentimeter pro Sekunde. Beim Abkühlen auf 0 Grad Celsius sinkt er auf etwa 1,1 — das ist zwar ein normaler Trend, aber die Steigung der Kurve nimmt bei weiterer Abkühlung dramatisch zu. Im unterkühlten Bereich fällt der Koeffizient so steil, dass er bei einer Arrhenius-Auftragung nicht mehr einer Geraden folgt.

Dieses Verhalten wird durch die zunehmende Vernetzung der Wasserstoffbrückenbindungen verursacht. Bei tiefen Temperaturen bilden sich immer grössere zusammenhängende Cluster mit eisähnlicher Struktur. Die Moleküle werden quasi in diesen Netzwerken gefangen und können sich nur durch kooperative Umlagerungen fortbewegen, was die Diffusion stark verlangsamt.

Self-Diffusion Coefficient vs Temperature Line chart comparing the self-diffusion coefficient of water and a typical simple liquid as temperature decreases. Water shows a much steeper decline, especially below 10 degrees C, compared to the gradual decrease of simple liquids. D (10⁻⁵ cm²/s) Temperature (°C) -20 0 20 40 60 0 1.5 3.0 Steep drop Water Simple liquid Self-Diffusion Coefficient vs. Temperature
Der Selbstdiffusionsköffizient von Wasser fällt bei tiefen Temperaturen steiler als bei einfachen Flüssigkeiten.

Alltagsrelevanz

Die verlangsamte Diffusion bei niedrigen Temperaturen erklärt, warum sich Zucker in kaltem Wasser langsamer löst als in heissem. Auch die Ausbreitung von Schadstoffen in kalten Gewässern erfolgt langsamer als in warmen. In biologischen Systemen beeinflusst die Diffusionsgeschwindigkeit den Stofftransport in Zellen — bei Kälte werden Stoffwechselprozesse nicht nur durch langsamere chemische Reaktionen, sondern auch durch die verlangsamte Diffusion der Reaktionspartner gebremst.