Osmose

Osmose (osmos = griech. Stoß, Schub) ist die einseitig gerichtete (= selektive) Diffusion eines Lösungsmittels durch ein semipermeables Medium. Dabei diffundiert das Lösungsmittel von Bereichen mit niedrigerer Konzentration des gelösten Stoffes in Bereiche mit höherer Konzentration des gelösten Stoffes. Das semipermeable (besser: selektiv permeable) Medium ist für das Lösungsmittel durchlässig, nicht aber für den gelösten Stoff. Beim semipermeablen Medium handelt es sich dabei häufig um eine Membran oder eine Scheidewand (auch Diaphragma genannt).

Osmose2.png Die Osmose verläuft immer so, dass ein osmotischer Druck entsteht. Teilchen des Lösungsmittels diffundieren aus der Lösung geringerer Konzentration (hypotonische Lösung) in die Lösung höherer Konzentration (hypertonische Lösung), so dass sich die Konzentrationen einander angleichen (isotonische Lösungen). Die Volumina der Lösungen verändern sich hingegen, so dass beim Erreichen des osmotischen Gleichgewichts alle durch die semipermeablen Membranen getrennten Lösungen die gleiche Konzentration haben, aber evtl. ein größeres oder kleineres Volumen als zuvor, da die Lösungsmittel-Teilchen den Bereich verlassen haben bzw. hineingekommen sind (vgl. Abbildung). Ein besonderer Fall liegt dann vor, wenn sich im linken U-Glas-Schenkel von Anfang an reines Wasser befindet und die semipermeable Membran nur für Wasser durchlässig ist. Dann kann es nie zu einem Konzentrationsausgleich kommen, weil auf der rechten Seite des U-Glases selbst bei immer größer werdender Verdünnung sich immer noch Teilchen des gelösten Stoffes befinden, links von der semipermeablen Membran jedoch gar keine gelösten Stoffe. Wegen des bestehenden Konzentrationsgefälles verändern sich die Volumina der Lösungen in diesem Fall zwar auch, aber nur so lange, bis auf andere Weise ein osmotisches Gleichgewicht erreicht wird: Die durch Wassereinstrom in den rechten U-Glas-Schenkel entstandene höhere Flüssigkeitssäule erzeugt nun einen hydrostatischen Druck, welcher die durch die semipermeable Membran diffundierenden Wasserteilchen wieder zurückdrückt. Aber auch in diesem Fall entsteht im dargestellten U-Glas durch die Osmose links von der Membran ein kleineres und rechts davon ein größeres Flüssigkeitsvolumen.

Osmose2.jpgÄhnlich wie bei dem Temperaturausgleich wird bei der Osmose keine Energie frei oder benötigt, aber die Entropie steigt. Dadurch ist der Prozess irreversibel (Sprich: Läuft nur in Richtung Konzentrationsausgleich ab.)

Osmotischer Druck

In einem System im thermodynamischen Gleichgewicht bei vorgegebenem Druck und vorgegebener Temperatur ist die Gibbs-Energie minimal und konstant. Es gilt:

$\mbox{d}G = V \cdot \mbox{d}p - S \cdot \mbox{d}T + \sum^N_{i=0} \mu_i \cdot \mbox{d}n_i = 0$

Mit den gegebenen Randbedingungen ergibt sich:

$0 = V \cdot \mbox{d}p + \sum^N_{i=0} \mu_i \cdot \mbox{d}n_i$ .

Übrig bleiben der Druckterm und der Term des chemischen Potentials. Ist es einer Komponente durch die Membran verwehrt den ganzen Raum auszufüllen, so muss sich der Druck über die Membran ändern um die Gleichung zu erfüllen.

Der osmotische Druck $\pi$ ergibt sich somit mit den molaren Dichten $c_i$ aus der Veränderung aller chemischen Potentiale $\mu$ zu:

$\mbox{d}\pi = - \sum^N_{i=0} \mu_i \cdot \mbox{d} c_i$ .

Hierbei sind alle Mischungseffekte berücksichtigt. Da eine derart genaue Berechnung meist mangels Messwerte nicht möglich ist, werden Mischungseffekte der gelösten Salze und die Konzentration des Lösungsmittels manchmal vernachlässigt:

$\pi = - RT \cdot \sum^{N}_{i=1} \Delta\left(c_i \cdot \ln a_i\right)$ .

Eine weiter Näherung ist die Vernachlässigung des Mischungseffektes des gelösten Salzes mit dem Lösungsmittel. Hierbei wird die Aktivität $a_i$ der gelösten Stoffe gleich 1 gesetzt und es ergibt sich als grobe Näherung:

$\pi = - RT \cdot \sum^{N}_{i=1} \Delta c_i$ .

Diese überschlägige Berechnung kann jedoch leicht einen Fehler von mehr als 50% beinhalten. Wenn die gelösten Stoffe jedoch nur in geringer Konzentration und auf beiden Seiten der Membran in ähnlicher Form vorliegen (wenig Mischungseffekte), ist diese Näherung durchaus üblich.

Beispiele

Beim Kochen einer Gemüsebrühe verwendet man Salz, um einen osmotischen Wassereinstrom in das (leicht salzhaltige) Gemüse und damit erfolgendes Aufquellen mit Geschmacksverlust zu verhindern. Umgekehrt erreicht man bei einer Fleischbrühe durch Weglassen des Salzes, dass die Geschmackstoffe des Fleisches durch osmotisches Eindringen von Wasser in die Brühe ausgeschwemmt werden.

Die Dialyse von Blut ist auch nur dank des osmotischen Drucks möglich. Hierbei befindet sich ein harnstofffreies, aber salzhaltiges Dialysat auf der einen Seite, das Blut auf der anderen Seite einer semipermeablen Membran. Der im Blut angereicherte Harnstoff diffundiert durch die Membran auf die Sekundärseite. Weitere Blutbestandteile, die ebenfalls unterhalb des Porendurchmessers der Membran liegen diffundieren nicht, da die Dialyselösung auf eine identische Konzentration eingestellt ist. Dadurch wird das Abreichern der Blutkomponenten verhindert.

Pflanzen befördern Flüssigkeiten aus dem Wurzelbereich bis in die Spitzen. Nach den Erkenntnissen eines Teams der Universität Nordarizona können Bäume nur maximal 200 Meter hoch werden, da dann der osmotische Druck zusammen mit den Kapillarkräften nicht mehr ausreicht, die Schwerkraft zu überwinden. (Quelle: Nature Vol. 428 April 2004)

Das Platzen reifer Kirschen nach einem Regenguss ist auf die osmotische Aufnahme von Wasser durch die Kirschenoberfläche zurückzuführen. Umgekehrt verliert ein mit Salatsoße angemachter Salat nach relativ kurzer Zeit seine Steifigkeit. Diese erhält er normalerweise durch das in den Zellen vorhandene Wasser welches auf Grund der Osmose an die Salatsauce abgegeben wird.

Das Entfernen von Alkohol aus Bier zur Herstellung von alkoholfreiem Bier beruht auch auf dem osmotischen Effekt.

Siehe auch

Trennverfahren | statistische Physik | Osmose

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Osmotischer Druck

Beispiele

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