Benutzer:Drahkrub/Osmose/Grundlagen

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Grundlagen[Bearbeiten]

Experimentelle Beobachtungen[Bearbeiten]

Eine einfache Versuchsanordnung[Bearbeiten]

Ein einfaches Osmoseexperiment

Die wesentlichen Aspekte der Osmose lassen sich mit einem leicht nachzuvollziehendem Experiment veranschaulichen: Dazu wird eine Zuckerlösung in einen Zellophan- oder Dialyseschlauch gefüllt und dieser mit einem Stopfen verschlossen, in dem ein Glasröhrchen steckt. Wird diese Vorrichtung in ein Gefäß mit reinem Wasser eingetaucht, strömt Wasser in den Schlauch hinein, wodurch der Flüssigkeitsspiegel im Glasröhrchen über längere Zeit ansteigt. Sobald der Wassereinstrom endet, hat der Spiegel seinen höchsten Stand erreicht.

Voraussetzungen für Osmose[Bearbeiten]

Die beschriebene Anordnung schafft die Voraussetzungen und Anfangsbedingungen für das Auftreten von Osmose:

  • Semipermeable Trennschicht: Die verwendete Zellophanmembran lässt Wasser passieren, hält jedoch die darin gelösten Zuckermoleküle zurück; diese Eigenschaft wird als Semipermeabilität bezeichnet.
  • Keine vollständige Vermischung möglich: Das Vorhandensein einer semipermeablen Membran verhindert eine gleichmässige Vermischung aller vorhandenen Stoffkomponenten und unterteilt so das System in zwei Bereiche (auch Phasen genannt) mit abweichenden chemischen und thermodynamischen Eigenschaften.
  • Konzentrationsunterschied der nicht passierenden Substanzen: Die Konzentration des gelösten Zuckers ist innen größer als aussen.

Grundlegende Beobachtungen[Bearbeiten]

  • unmittelbar nach Zusammenfügen der Versuchsanordnung beginnt Wasser aus dem umgebenden Becher in den Schlauch hinein zu ströen und die dort befindliche Zuckerlösung zu verdünnen
  • der Wassereinstrom in den Schlauch endet nach einem gewissen Zeitraum
  • lediglich ein Teil des umgebenden Wassers strömt in den Schlauch, im Becher verbleibt stets eine gewisse Menge Wasser
  • durch den Einstrom von Wasser wird die Flüssigkeitssäule gegen die Schwerkraft angehoben
  • die maximal erreichbare Höhe der Flüssigkeitssäule hängt von der Konzentration der nicht passierenden, gelösten Substanz ab

Ein unter Laborbedingungen zusammengefügtes osmotisches System befindet sich zunächst ausserhalb des Gleichgewichts. Die Anwesenheit einer semipermeablen Trennschicht bewirkt, dass ein Ausgleich der wirkenden Kräfte nur durch den Fluss solcher Substanzen erfolgen kann, die aufgrund Ihrer Eigenschaften die Membran passieren. In vielen Fällen ist dies das Lösungsmittel, häufig Wasser. Die Bewegung des Lösungsmittels endet, sobald die auf beiden Seiten der Membran wirkenden Kräfte ausgeglichen sind. Wird nach Erreichen des Gleichgewichtszustands das Wasser einer Seite durch Hinzufügen geringer Mengen D2O (schweres Wasser) oder 3H2O (überschweres Wasser) markiert, zeigt sich, dass weiter ein Austausch von Wassermolekülen erfolgt;[1] die Zahl der pro Zeiteinheit ein- und ausströmenden Moleküle ist im Gleichgewicht jedoch auf beiden Seiten gleich groß.

Osmose bewirkt Volumenfluss[Bearbeiten]

Trennt eine semipermeable Membran zwei mit reinem Lösungsmittel gefüllte Röhren, gleicht sich wie bei kommunizierenden Röhren der Flüssigkeitsspiegel auf beiden Seiten aus.
Durch Osmose wird die Flüssigkeitssäule mit der höheren Konzentration der gelösten Substanz gegen die Schwerkraft angehoben.
Wilhelm Pfeffer zeigte, dass die durch Osmose erreichte Druckhöhe proportional zur Konzentration des gelösten Stoffes ist. (Tabelle 9 aus "Osmotische Untersuchungen", 1877)

Die bei Laborversuchen zur Osmose hervorstechende Wirkung ist der Volumenfluss des Lösungsmittels oder passierenden Substanz. In einem geschlossenem System erfolgt aufgrund dieses Stoffflusses eine Druckerhöhung auf der Seite mit der höheren Konzentration der nicht passierendern, gelösten Komponente.

Für einen unbedarften Beobachter ist dieses Verhalten zunächst unerwartet. Nach dem Prinzip der kommunizierenden Röhren gleichen sich in einem mit Wasser gefüllten, U-förmigen Rohr anfängliche Niveauunterschiede rasch aus. Der Ausgleich erfolgt auch, nur langsamer, wenn sich zwischen beide Hälften des U-Rohrs eine semipermeable Membran befindet.

Sind jedoch, durch die Anwesenheit einer gelösten Substanz, die Bedingungen für Osmose gegeben, wird die Flüssigkeitssäule auf der Seite mit der höheren Konzentration der gelösten Substanz (rechte Seite in der rechten Abb.) gegen die Schwerkraft angehoben; ein Niveauausgleich erfolgt nicht.

Die resultierende Wirkung ist so, als würde Druck von oben auf die linke Flüssigkeitssäule ausgeübt, die gemessene Höhendifferenz entspricht einer Druckkraft. Der Betrag der Höhendifferenz zwischen beiden Flüssigkeitsspiegeln hängt lediglich von der Menge des nicht passierenden (gelösten) Stoffes ab; Form und Geometrie der Gefäße haben keinen Einfluss. Der Zusammenhang zwischen der Höhe des Flüssigkeitspiegels und dem hydrostatischem Druck lautet:

P(h) = g \cdot h \cdot \rho_{C'}

mit dem Druck P in Pascal, der Dichte ρ der (nun verdünnten) Lösung C' in kg/m3, der Schwerkraft g in m/s2 sowie der Höhendifferenz h in Metern.

Tatsächlich wird in der gezeigten Anordnung kein Druck von außen ausgeübt, die zum Anheben erforderliche Energie muss aus der unterschiedlichen Zusammensetzung der beiden Flüssigkeitsphasen stammen.

Welche enormen Druckkräfte aufgrund von Osmose auftreten können, demonstrierte Nollet's frühes Experiment, bei dem die zum Verschluss des Kolbens benutzte Schweinsblase oftmals zerrissen wurde. In Osmosekraftwerken wird der erzeugte Druck zum Antrieb von elektrische Turbinen benutzt.

Der im Gleichgewicht erreichte hydrostatische Druck charakterisiert die osmotischen Eigenschaften der eingesetzten Lösung; er wird dann als osmotischer Druck oder osmotischer Wert bezeichnet. Gemessen werden kann der hydrostatische Druck entweder mittels an die Versuchsapparatur angeschlossenem Manometer, oder indirekt, wie oben beschrieben, aus der gemessenen Höhendifferenz der Flüssigkeitsspiegel errechnet werden. Zu beachten ist, dass der so ermittelte osmotische Druck einem Potenzial entspricht und keine physikalische Realität hat; eine Lösung mit einem bestimmten Wert des osmotischen Drucks kann einen entsprechenden Druck nur erzeugen, wenn sie in ein entsprechendes osmotisches System eingebracht wird.

  1. G. Czihak, H. Langer, H. Ziegler: Biologie, Ein Lehrbuch. 2. Auflage. Springer-Verlag, Berlin 1978, ISBN 3-540-08273-5.