Lebensmittelfarbe veranschaulicht die Diffusion in Wasser. Diffusion ist die Vermischung von Molekülen aufgrund ihrer zufälligen Bewegung, sei es in einer Flüssigkeit oder einem Gas. Da Moleküle in kaltem Wasser weniger kinetische Energie haben als in warmem Wasser, ist der Diffusionsprozess viel langsamer als in warmem Wasser. Die Lebensmittelfarbe kann aber auch Bewegungen zeigen, die nicht zufällig sind, wie zum Beispiel das Rühren des Wassers durch Konvektion.
TL; DR (zu lang; nicht gelesen)
TL; DR: Lebensmittelfarbe, die in die Mitte eines Bechers mit kaltem Wasser gegeben wird, sinkt auf den Boden. Wenn Sie das kalte Wasser umrühren oder die Farbe in warmes Wasser geben, verteilt sie sich viel schneller.
Der Mechanismus der Diffusion
Die Diffusion erfordert kein Rühren, wie etwa Rühren, obwohl das Rühren den Prozess beschleunigt. Bei Lebensmittelfarbe in Wasser ist das Wasser das Lösungsmittel, während die Lebensmittelfarbe der gelöste Stoff ist. Sobald sie gemischt haben, machen sie eine Lösung. Diffusion braucht Zeit, aber wie viel Zeit hängt von der kinetischen Energie der Moleküle ab, die zufällig aufeinanderprallen. Dieses zufällige Aufprallen – Brownsche Bewegung genannt – resultiert aus der Schwingung der Atome, die sie schneller und härter ausführen, je heißer sie sind. Das Endergebnis dieser Bewegungen ist im Laufe der Zeit die endgültige, einheitliche Lösung.
Mischen nach Unterschied im spezifischen Gewicht
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Die Lebensmittelfarbe hat ein etwas höheres spezifisches Gewicht oder die relative Dichte als Wasser, so dass sie, bevor sie Zeit hat zu diffundieren, dazu neigt, im Wasser zu sinken. Wenn das Wasser kalt ist und die Diffusionsgeschwindigkeit langsamer ist, bleibt mehr Lebensmittelfarbe in einer Wolke zusammen, die auf den Boden des Behälters fällt. Allein und ungestört gelassen, könnte es unten eine Schicht bilden; Aufgrund der Brownschen Bewegung wird es jedoch keine scharf definierte Grenze zwischen dem Wasser und der Färbung geben. Die zufällige Bewegung der Moleküle wird die Farbe allmählich in das Wasser diffundieren. Rühren beschleunigt den Diffusionsprozess.
Mischen durch Konvektion
Wenn der Wasserbehälter wärmer oder kühler als die Umgebungsluft ist, entwickelt er konvektive Strömungsmuster, wenn sich das Wasser der Umgebungstemperatur annähert. Bei kaltem Wasser in warmer Umgebung leiten die Seiten des Behälters Wärme an den Rand des Wassers. Das kühle, dichtere Wasser in der Mitte sinkt. Lebensmittelfarbe, die zu dieser sinkenden Mittelsäule hinzugefügt wird, wird die Konvektionsströmung zum Boden des Behälters treiben, aber dann auch die Strömung an den Seiten hinauf, zurück nach oben, um wieder herumzufahren. Dieser Strom dient zum Rühren der Lösung, wodurch die Diffusion beschleunigt wird.
Was passiert, wenn das Wasser verändert wird?
Vergleichen Sie die Auswirkungen von Hitze und Dichte auf die Diffusion der Lebensmittelfarbe. Versuchen Sie einen direkten Vergleich der Diffusion in kaltem Wasser und in warmem Wasser. Die Diffusion wird im kalten Wasser viel langsamer sein. Versuchen Sie, einen halben Löffel Salz in Wasser aufzulösen und lassen Sie dann die Lebensmittelfarbe fallen. Die Färbung wird noch diffundieren, aber nicht absinken, da das Salzwasser ein höheres spezifisches Gewicht hat. Versuchen Sie, eine Wärmequelle, z. B. eine Glühlampe, gegen eine Seite des Glases zu legen und warten Sie einige Minuten, bevor Sie die Farbe fallen lassen. Es wird die konvektive Strömung mitfahren – und dadurch sichtbar machen.