Osmose

Osmose ist eine spezieller Fall der Diffusion. Es ist die spontane Bewegung von Lösemittelmolekülen in eine Lösung höherer Konzentration, von der es durch eine semipermeable Membran getrennt ist. Das Ganze ist ein Prozess des Konzentrationsausgleichs.

Osmose – Erklärung

Abbildung 1: Osmose in einem U-Rohr

Sind zwei Lösungen unterschiedlicher Konzentration in Kontakt über eine semipermeable Membran, so findet eine gerichtete Diffusion von Lösungsmittelteilchen aus dem Bereich (=Kompartiment) niedriger Konzentration in den Bereich höherer Konzentration. Man sagt auch, das Wasser fließt vom Ort höheren Wasserpotentials zum Ort niedrigeren Wasserpotentials. Das dauert so lange, bis die Konzentrationen auf beiden Seiten gleich sind. Dann hat man einen sogenannten isotonischen Zustand (= beide Lösungen haben den gleichen osmotischen Druck).

Beispiel

Osmotischer Druck

Der osmotische Druck wird durch gelöste Teilchen in einer Lösung verursacht wird. Es handelt sich um den Überdruck im Gleichgewichtszustand, der dadurch entsteht, dass die Lösemittelmoleküle in die Lösung der höheren Konzentration fließen. Die dadurch beobachtete Niveaudifferenz entspricht dem osmotischen Druck. Er ist die treibende Kraft der Osmose und kann über die Van't Hoffsche Gleichung berechnet werden.

Tonizität

Man unterscheidet beim osmotischen Druck zwischen drei Tonizitäten: Isotonizität, Hypertonizität und Hypotonizität.

Jacobus Van't Hoff Gleichung

Die van't Hoff Gleichung stellt einen Zusammenhang zwischen dem osmotischen Druck und der Teilchenanzahl pro Volumeneinheit – also der Konzentration – auf. Dabei ist der osmotische Druck proportional zur Konzentration und Temperatur. Sie ist wie folgt definiert:

R ist die ideale Gaskonstante und beträgt ungefähr . T ist die Temperatur in Kelvin, während c die Konzentration der gelösten Teilchen in der Einheit mol pro Liter (mol/l) ist. Der osmotische Druck p hat die Einheit Pascal.

Osmose und Diffusion – Differenzierung

Abbildung 2: Vergleich von Diffusion und Osmose

Diffusion

Die Diffusion ist ein Prozess des passiven Konzentrationsausgleichs. Die treibende Kraft hier ist ein lokaler Konzentrationsunterschied. Alle im System vorhandenen Teilchen können sich über das gesamte System bewegen. Es tritt aufgrund der Brownschen Molekularbewegung auf. Dabei handelt es sich um die ungerichtete thermische Bewegung von Teilchen in Flüssigkeiten und Gasen.

Diffusion führt zur Vermischung

Diese Molekularbewegung führt über die Zeit dazu, dass sich Stoffe gleichmäßig vermischen. Damit wird die Entropie erhöht, weshalb Diffusion nach Newtons zweiten Satz der Thermodynamik ein freiwilliger Prozess ist, der nicht umgekehrt werden kann. Du kannst zum Beispiel einen aufgelösten Zuckerwürfel nicht ohne Weiteres aus dem Wasser herausnehmen.

Osmose

Wie bereits erwähnt, ist die Osmose eine spezielle Form der Diffusion. Hier ist die semipermeable Membran vorhanden, welche die Bewegung von nur einer Art von Teilchen über das ganze System ermöglicht, während die andere Art in einen Bereich beschränkt ist.

Osmose im Körper

Osmose tritt auch bei uns im Körper auf. Alle Zellen haben eine Zellmembran. Diese Membran ist semipermeabel. Sie ist nur für Wassermoleküle passiv über die Aquaporine durchgängig, während Ionen und Proteine einen aktiven Transport benötigen. Aquaporine regulieren also die Osmose von Zellen, sodass diese sich an schwankenden Salzkonzentrationen anpassen können und auch ihre Form bewahren.

Osmose – Beispiele

In dem folgendem Abschnitt werden dir ein paar Beispiele der Osmose verdeutlicht.

Relevanz in der Medizin

In der Medizin muss die Osmose im Körper bedacht werden und kann aber auch als Methode eingesetzt werden. Im Folgenden gehen wir hier auf zwei Beispiele ein.

Infusionen

Um die Intaktheit von Körperzellen zu wahren müssen Transfusionen und Infusionen isoton mit dem Blut sein. Das heißt, sie müssen den gleichen osmotischen Druck haben. Denn sonst können z.B. die roten Blutkörperchen platzen (wenn die Infusion eine geringere Osmolarität hat) oder schrumpfen (wenn die Infusion eine höhere Osmolarität hat), was den Sauerstofftransport behindern würde und erheblichen Schäden zur Folge hätte. Dafür werden für Infusionen Kochsalzlösungen verwendet, die mit 0,9% Kochsalz versetzt sind.

Dialyse

Bei der Dialyse wird das Blut von Menschen, deren Nieren ihre Filterfunktion nicht oder stark beschränkt erfüllen, mithilfe der Osmose gefiltert. Das Blut fließt hierfür durch Hohlfasern im Dialysator, die das Blut durch semipermeable Membranen von der Dialysierflüssigkeit abgrenzen. Wenn man der Dialysierflüssigkeit Zucker zusetzt, fließt das Wasser aus dem Blut in die Dialysierflüssigkeit. Zusätzlich diffundieren die Toxine aus dem Blut in die Dialysierflüssigkeit, weil sie da eine niedrigere Konzentration haben. So wird das Blut gereinigt und dem Patienten zugeführt.

Einsatz in der Industrie

Auch in der Industrie wird sich die Osmose zu Nutzen gemacht. Hierzu kannst du dir ebenfalls zwei Beispiele anschauen.

Wasseraufbereitung durch Umkehrosmose

Mit der Umkehrosmose kann man eine Substanz aufkonzentrieren, wie zur Herstellung von Fruchtsäften oder aber auch Trinkwasser aus Salzwasser gewinnen. Hierfür übt man Druck auf den Bereich des Salzwassers aus und zwingt so das Wasser auf die andere Seite der semipermeablen Membran. Hierfür setzt die Industrie sogenannte Nanofilter ein, die Poren mit einem Durchmesser kleiner als fünf Nanometern haben. Diese halten die in Wasser gelösten Salzionen zurück. Mit der Umkehrosmose werden auch Abwasser nach dem gleichen Prinzip gefiltert.

Osmosekraftwerk

Osmosekraftwerke können aus osmotischer Arbeit Energie gewinnen. Hier steht Salzwasser im Kontakt zu Süßwasser über eine semipermeable Membran. Wie du nun weißt, wird das Süßwasser in das Kompartiment des Salzwassers strömen und dort den Druck erhöhen. Dieser Druck wird genutzt, um Turbinen anzutreiben, wodurch man Strom gewinnen kann. Allerdings sind Osmosekraftwerke noch in der Prototypphase.