Konzentrationsgefälle

Konzentrationsgefälle zweier Lösungen

Ein Konzentrationsgefälle oder Konzentrationsgradienten (ungenau auch Stoffgradient genannt) zwischen zwei Orten x₁ und x₂ besteht, wenn sich die dort jeweils herrschenden Konzentrationen eines Stoffes – c₁ und c₂ – voneinander unterscheiden.

Nur das Wort Konzentrationsgefälle kann auch im engeren Sinn für räumliches Abfallen einer Konzentration verwendet werden, als Gegenspieler des Worts Konzentrationanstieg.

Die Diffusion von Stoffen erfolgt aufgrund eines Konzentrationsgradienten. Als elektrochemischen Gradienten bezeichnet man das Konzentrationsgefälle von gelösten Ionen, dieses hat eine herausragende Bedeutung für biologische Systeme, insbesondere den zellulären Energiestoffwechsel und die Nervenleitung.

Im engeren Sinne bezeichnet der Konzentrationsgradient eine kontinuierliche Änderung der Konzentration. Der Konzentrationsgradient ist dann das Maß der raumbezogenen Änderung und damit des Gradienten einer Konzentration eines chemischen Stoffes. Es ist der Quotient (genauer: Differentialquotient) aus Konzentrationsunterschied und der Distanz zwischen zwei Punkten in diesem Raum:

Im eindimensionalen Fall: ${\frac {dc}{dx}}$
(mit dc: Änderung der Konzentration des Stoffes, dx: Ortsunterschied).

Mithilfe des Nabla-Operators kann der Konzentrationsgradient im 3-Dimensionalen dargestellt werden:

${\vec \nabla }c=\left({\frac {\partial c}{\partial x}},{\frac {\partial c}{\partial y}},{\frac {\partial c}{\partial z}}\right)^{{T}}$

Hierbei bezeichnet c die Konzentration; x, y, z sind die Komponenten des Ortsvektors.

Beispiele

einfacher Gradientenmischer für kontinuierliche Gradienten

Stoffgradienten treiben die gerichtete Ausbreitung von Molekülen per Diffusion an.

Durch äußere Kräfte, wie Schwerkraft, Magnetfeld, elektrisches Feld können in ursprünglich homogenen Lösungen und Mischungen Konzentrationsgefälle erzeugt werden.

Kristallisation aus übersättigter Lösung, Zusammenballung ferromagnetischer Partikel im Magnetfeld und das Wandern in Richtung höherer Magnetfeldstärke, Wanderung von Ionen im elektrischen Feld, Temperaturgradienten, Belichtungsunterschied können Konzentrationsgefälle – mitunter in 2-Phasen-Systemen – entstehen lassen.

In der Gasphase, in Gasgemischen werden Konzentrationsgefälle üblicherweise durch Partialdruckgefälle beschrieben.

Mischungsvorgänge wie Umrühren, Konvektion und Wind in der Troposphäre, Verwirbelung in Strömungsvorgängen bauen Konzentrationsgradienten ab.

Eine Anwendung in der biochemischen Trennung ist die Gradientenelektrophorese. Dabei wird zuvor in einem Gelgemisch ein Stoffgradient erzeugt. Dabei kann es sich um einen Geldichte-Gradienten (variable Porenweite) oder auch um einen pH-Gradient (meist mit Ampholyten) handeln. Bei der folgenden elektrophoretischen Trennung konzentrieren sich dann die Stoffe in einem entsprechenden Sektor.

Eine weitere Anwendung ist die Trennung von Stoffgemischen im Dichtegradienten (z.B. aus Saccharose oder Caesiumchlorid) durch Dichtegradientenzentrifugation.

Bei der Chromatografie werden oft mobile Phasen mit sich in der Zeit verändernden Zusammensetzungen angewendet, um die Trennschärfe bei der Elution verschiedener adsorbierter Stoffe zu erhöhen.

In der Biologie sind Stoffgradienten eine Voraussetzung für:

passiven und sekundär aktiven Membrantransport
bei der Chemotaxis
im Energiestoffwechsel der Zellen
in der Morphogenese und während der Embryonalentwicklung (Embryogenese)
Ausscheidungsorgane (Nephridien) wie die Niere
Atmungsorgane wie Haut, Kiemen und Lunge

Auch in der Geochemie und Ökologie sind Stoffgradienten bedeutsam, beispielsweise Gradienten der Sauerstoffkonzentration oder Schwefelwasserstoffkonzentration in Gewässern.

Basierend auf einem Artikel in:

Wikipedia.de