Konzentrationsgradient

Konzentrationsgefälle zweier Lösungen

Man spricht von einem Konzentrationsgefälle oder Konzentrationsgradienten, wenn zwischen einem Ort x₀ und einem Ort x₁ sich die Konzentration eines Stoffes von c₁ zu c₂ ändert.

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 kontinuierlichen Änderung der Konzentration. Der Konzentrationsgradient (ungenau auch Stoffgradient genannt) 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 Strecke zwischen zwei Punkten in diesem Raum:

Im 1D-Fall: $\frac{dc}{dx}$
(mit dc: Änderung der Konzentration des Stoffes, dx: Ortsunterschied).

Mithilfe des Nabla-Operators kann der Konzentrationsgradient im 3-Dimensionalen folgendermaßen 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 bei denen das Konzentrationsgefälle wichtig ist

Eine Anwendung in der chemischen/biochemischen Trennung ist die Gradientenelektrophorese. Dabei wird zuvor in einem Gelgemisch ein Gradient erzeugt. Dabei kann es sich um einen Dichte-Gradient (z.B. mit Saccharose), einen Geldichte-Gradient (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 durch Zentrifugation.

Bei der Chromatografie werden oft mobile Phasen mit sich in der Zeit verändernden Zusammensetzungen angewendet, um verschiedene adsorbierte Stoffe nach einander zu eluieren.

In der Biologie spielen Stoffgradienten eine erhebliche Rolle:

• bei der Chemotaxis
• im Energiestoffwechsel der Zellen
• in der Morphogenese und während der Embryonalentwicklung (Embryogenese)

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

Siehe auch

• Gradient (Mathematik)
• Diffusion
• Atmungskette
• Chemiosmotische Kopplung