Voedselkleuring illustreert diffusie in water. Diffusie is het mengen van moleculen vanwege hun willekeurige beweging, of het nu in een vloeistof of een gas is. Omdat moleculen in koud water minder kinetische energie hebben dan in warm water, verloopt het diffusieproces veel langzamer dan in warm water. Maar de voedselkleuring kan ook beweging vertonen die niet willekeurig is, zoals agitatie van het water door convectie.
TL; DR (te lang; niet gelezen)
TL; DR: Kleurstof toegevoegd aan het midden van een beker met koud water zal naar de bodem zinken. Als je het koude water roert, of de kleurstof toevoegt aan warm water, zal het veel sneller diffunderen.
Het mechanisme van diffusie
Diffusie vereist geen agitatie, zoals roeren, hoewel agitatie het proces wel versnelt. In het geval van voedselkleuring in water, is het water het oplosmiddel, terwijl de voedselkleuring de opgeloste stof is. Als ze gemengd zijn, maken ze een oplossing. Diffusie kost tijd, maar hoeveel tijd hangt af van de kinetische energie van de moleculen die willekeurig onder elkaar stuiteren. Dit willekeurig stuiteren - Brownse beweging genoemd - is het gevolg van het trillen van de atomen, wat ze sneller en harder doen naarmate ze heter zijn. Het eindresultaat van deze bewegingen, in de loop van de tijd, is de definitieve, uniforme oplossing.
Mengen op basis van verschil in soortelijk gewicht
•••Dankingphotography/iStock/Getty Images
De voedselkleurstof heeft een iets hoger soortelijk gewicht, of relatieve dichtheid, dan water, dus voordat het tijd heeft om te diffunderen, heeft het de neiging om in het water te zinken. Wanneer het water koud is en de diffusiesnelheid langzamer is, blijft meer van de voedselkleuring bij elkaar in een pluim die naar de bodem van de container valt. Alleen gelaten en ongestoord, zou het een laag aan de onderkant kunnen vormen; vanwege de Brownse beweging zal er echter geen scherp gedefinieerde grens zijn tussen het water en de kleuring. De willekeurige beweging van de moleculen zal de kleur geleidelijk in het water verspreiden. Agitatie zal het diffusieproces versnellen.
Mengen door convectie
Als de container met water warmer of koeler is dan de omgevingslucht, zal deze convectieve stromingspatronen ontwikkelen als het water de omgevingstemperatuur nadert. Bij koud water in een warme omgeving geleiden de zijkanten van de container warmte naar de periferie van het water. Het koele, dichtere water in het midden zinkt. Voedselkleuring die aan deze zinkende middenkolom wordt toegevoegd, zal de convectieve stroom naar de bodem van de container rijden, maar dan zal het ook de stroom langs de zijkanten rijden, terug naar de top om weer rond te fietsen. Deze stroom dient om de oplossing te roeren, waardoor de diffusie wordt versneld.
Wat gebeurt er als het water verandert?
Vergelijk de effecten van warmte en dichtheid op de diffusie van de kleurstof. Probeer een zij-aan-zij vergelijking van diffusie in koud water en in warm water. De diffusie zal veel langzamer zijn in het koude water. Probeer een halve lepel zout in water op te lossen en laat dan de kleurstof vallen. De kleuring zal nog steeds diffunderen, maar het zal niet zinken omdat het zoute water een hoger soortelijk gewicht heeft. Probeer een warmtebron, zoals een gloeilamp, tegen één kant van het glas te plaatsen en wacht een paar minuten voordat u de kleurstof laat vallen. Het zal rijden – en daardoor zichtbaar maken – de convectieve stroming.
