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Osmose

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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.

Bei semipermeablen Membranen (semipermeabel = halbdurchlässig) handelt es sich um eine Membran mit Poren die für bestimmte (kleinere) Moleküle durchlässig sind, nicht aber für andere (größere) Moleküle.

Osmose – Erklärung

Osmose Erklärung in einem U-Rohr StudySmarterAbbildung 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).

Niedrige Potentiale bedeuten in der Thermodynamik immer, dass ein energetisch günstiger Zustand eingenommen wird. Du kannst dir das wie folgt merken: Ist das Potential hoch, ist für die Moleküle noch viel Potential da, um ihre Energie zu senken, indem sie günstige Wechselwirkungen eingehen.

Beispiel

Nehmen wir an, dass im oberen U-Rohr auf der linken Seite reines Wasser ist und auf der rechten Seite eine Salzlösung. Die Wassermoleküle durchqueren die semipermeable Membran in beide Richtungen, während die Salzionen nicht durch die Membran diffundieren können, weil sie zu groß sind. Da es auf der rechten Seite im Vergleich zur linken Seite eine sehr hohe Konzentration an Salzmolekülen pro Volumeneinheit gibt, gehen mehr Wassermoleküle von links nach rechts als von rechts nach links, um die konzentrierte Lösung zu verdünnen und so die Konzentrationen anzugleichen. Diese Beobachtung ist die Osmose.

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.

Tonizität ist ein Maß für den osmotischen Druck-Unterschied zwischen Lösungen.

Isoton = "gleich Spannung". Die Lösung hat den gleichen osmotischen Druck wie seine Umgebung.

Hyperton = "über Spannung". Die Lösung hat einen höheren osmotischen Druck als seine Umgebung.

Hypoton = "unter Spannung". Die Lösung hat einen geringeren osmotischen Druck als seine Umgebung.

Lösungsmittel fließt vom hypotonen ins hypertone.

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:

Osmose Van't Hoff Gleichung osmotischer Druck StudySmarter

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.

Um die Temperatur in Kelvin zu erhalten, musst du die Temperatur in Celsius mit 273,15 addieren. Hierbei solltest du normalerweise eine positive Zahl erhalten.

Nehmen wir eine Salzkonzentration von an und eine Temperatur von an, so beträgt der osmotische Druck:

Osmose Beispielrechnung osmotischer Druck StudySmarter

Das sind 73 117,473 Pa.

Osmose und Diffusion – Differenzierung

Osmose Abbildung Vergleich Diffusion und Osmose StudySmarterAbbildung 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.

Osmolarität gibt die Anzahl osmotisch aktiver Bestandteile pro Volumeneinheit an. Also wie hoch die Konzentration der gelösten Teilchen ist.

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

Umkehrosmose ist der Prozess bei dem man auf die Lösung mit der erhöhten Teilchenkonzentration einen Druck von außen ausübt und so die Diffusion des Wasser aus der Lösung in das reine Wasser erzwingt.

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.

Osmose - Das Wichtigste

  • Osmose ist die Diffusion von Lösemittelteilchen durch eine semipermeable Membran in eine Lösung höherer Teilchenkonzentration.
  • Die gelösten Teilchen verursachen einen osmotischen Druck – die treibende Kraft der Osmose.
  • Es wird zwischen Isotonizität, Hypertonizität und Hypotonizität unterschieden.
  • Der osmotische Druck kann über die Van't Hoffsche Gleichung berechnet werden.
  • Osmose ist sowohl in der Medizin als auch in der Industrie von Bedeutung.

Häufig gestellte Fragen zum Thema Osmose

Osmose ist die Diffusion von Lösemittelteilchen durch eine semipermeable Membran in eine Lösung höherer Teilchenkonzentration.

Bei der Osmose diffundieren Lösemittelmoleküle durch eine semipermeable Membran in eine Lösung höherer Konzentration.

Diffusion ist ein Prozess des passiven Konzentrationsausgleichs, bei dem Teilchen sich wegen der thermischen Bewegung über das ganze System ungehindert bewegen. 


Die Osmose ist eine spezielle Form der Diffusion, bei dem im System eine semipermeable Membran vorhanden ist, die nur Moleküle bestimmter Größe passieren lässt.

Osmose findet überall statt, wo zwei Lösungen unterschiedlicher Teilchenkonzentration über eine semipermeable Membran in Kontakt stehen.

Finales Osmose Quiz

Frage

Was ist die Osmose?

Antwort anzeigen

Antwort

Osmose ist eine spezielle Form der Diffusion, bei dem Lösemittelteilchen über eine semipermeable Membran in eine Lösung höherer Teilchenkonzentration diffundieren. 

Frage anzeigen

Frage

Was ist eine semipermeable Membran?

Antwort anzeigen

Antwort

Eine semipermeable Membran ist eine halbdurchlässige Membran, die nur bestimmte Moleküle durchlässt. 

Frage anzeigen

Frage

Welche Tonizitäten werden unterschieden?

Antwort anzeigen

Antwort

  • Isoton 
  • Hyperton
  • Hypoton

Frage anzeigen

Frage

Welcher Begriff beschreibt eine Lösung mit geringerem osmotischen Druck als seine Umgebung?

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Antwort

Hypoton

Frage anzeigen

Frage

Was bedeutet es, wenn eine Lösung hyperton ist?

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Antwort

Die Lösung hat einen höheren osmotischen Druck als seine Umgebung. 

Frage anzeigen

Frage

Wie lautet die van't Hoffsche Gleichung und was beschreibt sie?

Antwort anzeigen

Antwort

Die van't Hoffsche Gleichung beschreibt den Zusammenhang zwischen osmotischen Druck und der Teilchenkonzentration. 

                                         



Frage anzeigen

Frage

Was ist der osmotische Druck?

Antwort anzeigen

Antwort

Der osmotische Druck ist die treibende Kraft der Osmose. Es beschreibt den Überdruck im Gleichgewichtszustand und entspricht der Niveaudifferenz im Lösungspegel. 

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Frage

Was ist die treibende Kraft der Diffusion und was ist die treibende Kraft der Osmose?

Antwort anzeigen

Antwort

  • treibende Kraft der Diffusion = lokaler Konzentrationsunterschied
  • treibende Kraft der Osmose = osmotischer Druck 

Frage anzeigen

Frage

Wo findet Osmose im Körper statt? 

Antwort anzeigen

Antwort

Osmose tritt an Zellmembranen auf. Zellmembranen sind semipermeabel und haben integrierte Aquaporine über die Wasser in die Zelle und aus der Zelle diffundieren kann. 

Frage anzeigen

Frage

Was ist die Osmolarität? 

Antwort anzeigen

Antwort

Osmolarität beschreibt, wie hoch die Konzentration der gelösten Teilchen ist.

Frage anzeigen

Frage

Was muss bei Infusionen beachtet werden?

Antwort anzeigen

Antwort

Infusionen müssen isoton mit dem Blut sein. 

Frage anzeigen

Frage

Was passiert bei der Dialyse?

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Antwort

Bei der Dialyse wird Blut künstlich gefiltert. Dafür fließt das Blut durch Hohlfasern, die eine semipermeable Membran haben und von Dialysierflüssigkeit umgeben sind. Konzentrationsunterschiede zwischen dieser Flüssigkeit und dem Blut führen zur Filterung des Blutes. 

Frage anzeigen

Frage

Was ist die Umkehrosmose? 

Antwort anzeigen

Antwort

Es ist eine umgekehrte Osmose, bei dem ein Druck auf die Lösung höherer Konzentration ausgeübt wird und so die Richtung der Wasserdiffusion umkehrt.

Frage anzeigen

Frage

Wo wird die Umkehrosmose eingesetzt?

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Antwort

  • Zur Aufkonzentrierung von Substanzen
  • Zur Wasserentsalzung 
  • Zur Aufreinigung von Wasser 

Frage anzeigen

Frage

Was ist die Brownsche Molekularbewegung?

Antwort anzeigen

Antwort

Es ist die ungerichtete thermische Bewegung von Teilchen in Flüssigkeiten und Gasen. 

Frage anzeigen

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