Diffusionskontrolle

Diffusionskontrolle bezeichnet ein Regime in Prozessen, bei dem die Rate oder der Durchsatz durch die Diffusion der beteiligten Spezies bestimmt wird, statt durch die innere Umwandlung oder den Reaktionsmechanismus. Der Begriff findet Anwendung in Chemie, Physik, Materialwissenschaft und Pharmakologie. Typischerweise unterscheidet man diffusionkontrollierte von reaktionskontrollierten Prozessen; bei diffusionkontrollierten Abläufen ist die Wahrscheinlichkeit einer Reaktion bei zufälligen Begegnungen hoch, und der Transport der Teilchen durch den Stoff ist der limitierende Faktor. Theoretisch bildet das Smoluchowski-Modell die Grundlage, ergänzt durch das klassische Fick'sche Diffusionsgesetz.

In der Lösungskinetik bedeutet Diffusionskontrolle, dass die Grenzrate einer Reaktion durch die Diffusion der Reaktanten zu den Begegnungsräumen bestimmt wird. Die diffusionlimitierten Geschwindigkeitskonstanten liegen in wässrigen Systemen oft im Bereich von 10^9 bis 10^10 M^-1 s^-1, abhängig von Temperatur, Ionenstärke und anderen Umweltparametern. In realen Systemen können Reaktionsbarrieren oder Mediatorprozesse die Kontrolle zusätzlich beeinflussen, sodass Mischformen auftreten.

In der Pharmakologie und der Materialwissenschaft beschreibt Diffusionskontrolle oft die Freisetzung oder Aufnahme von Substanzen durch eine Matrix, Membran oder Gel, wobei Diffusion durch das Matrixmaterial die Hauptregelgröße ist. Die Freisetzungs- bzw. Aufnahmeprofile lassen sich häufig mit Fick’schen Diffusionsgesetzen modellieren; relevante Parameter sind Diffusionskoeffizient, Geometrie (z. B. Dicke einer Membran) und Löslichkeit des Substrats.

Zu den Limitationen gehört, dass in vielen Systemen Diffusion und chemische Reaktionen zusammenwirken, sowie strukturelle Eigenschaften wie Porosität, Tortuosität und Temperatur die Diffusion stark beeinflussen. Diffusionskontrolle bleibt daher oft eine Näherung, die experimentell validiert werden muss.