Osmose

 

Osmose beschreibt die Diffusion (lat. diffundere = ausgießen, verstreuen, ausbreiten) von Flüssigkeit durch eine halb durchlässige (semi­permeable) Membran. Triebkraft für die Diffusion ist ein Konzentrations­gefälle von gelösten Stoffen (Solute) in den durch die Membran getrennten Lösungen. Die Solute können im Gegensatz zum Lösungs­mittel die Membran nicht passieren. Den entstehenden Druckunterschied nennt man osmotischen Druck .

Prinzip der Osmose:

Unter Osmose versteht man den Nettofluss von Wasser durch eine Membran hindurch. Zur Veranschaulichung soll folgende Modellvorstellung dienen: Zu einem Ausgangszeitpunkt t0 befindet sich in zwei gleich großen Volumina (v1 und v2) eine gelöste Substanz, und zwar einmal in der Konzentration c1, zum anderen in der Konzentration c2. Angenommen c1 sei doppelt so hoch wie c2 und die beiden Volumina seien durch eine Membran voneinander getrennt, die Wasser, jedoch nicht die darin gelöste Substanz hindurch lässt.

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Zu einem Zeitpunkt t1 würde man unter den angenommenen Bedingungen eine Wasserfluss-Bewegung durch die Membran feststellen können. Es würde sich ein Gleichgewicht einstellen, wobei sich die Konzentration von c1 an c2 angleichen würde, weil das Wasser beliebig durch die Membran hin­durch diffundieren kann. Das Volumen von c1 wäre dann doppelt so groß wie das von c2. Die konzentrierte Lösung hat demnach an Volumen gewonnen.
Die Osmose bewirkt somit einen Nettofluß von Wasser aus einer Lösung mit hohem Wasserpotential in eine Lösung mit niedrigem Wasser­potential. Das Wasserpotential (Psi) beschreibt demnach den Wasser­fluss aus Lösungen geringer Konzentration in Lösungen hoher Konzentration. Wasser strömt nur von Orten mit hohen zu Orten mit niedrigem Psi. Der Prozess ist exergonisch, ist also nicht auf eine Energiezufuhr angewiesen. Unter Energieaufwand kann Wasser auch in umgekehrter Richtung befördert werden, d.h. von Orten mit niedrigem Psi zu jenen mit höherem Psi. Diese Bewegung ist folglich endergonisch.

Osmotischer Druck:

Der osmotische Druck ist besonders für den Flüssigkeitstransport und den Flüssigkeitshaushalt tierischer und pflanzlicher Zellen wichtig. Durch Osmose wird hydrostatischer Druck auf eine Membran ausgeübt (osmotischer Druck, osmotisches Potential, p, Dimension: atm., bar). Der Druck wiederum ist, wie am Modellbeispiel veranschaulicht, von den Konzentrationen der gelösten Substanzen abhängig. Man spricht daher auch vom Potential gelöster Substanzen. Der osmotische Druck dient dem Abbau des Wasserpotentials. Der osmotische Druck hängt aus­schließlich von der Zahl, also weder von der Art noch der Größe der gelösten Teilchen ab, also von der Molarität.

Unterschieden werden folgende Lösungen:

 

isotonisch Der osmotische Druck auf beiden Seiten der Membran
ist gleich.
hypotonisch Die Konzentration einer gelösten Substanz (z.B. in der Zelle) ist niedriger als in der Vergleichslösung (z.B. der Umgebung der Zelle)
hypertonisch Die Konzentration einer gelösten Substanz ist höher als in der Vergleichslösung.

 

Wasser wandert so lange aus einer hypotonischen in eine hypertonische Lösung ein, bis sich in beiden die gleiche Teilchenkonzentration befindet. Die Lösungen sind dann Isotonisch.

Osmose/Osmotischer Druck in biologischen Systemen:

Biologische Membranen sind in der Regel durchlässig für Wasser und Gase wie Sauerstoff, Stickstoff, Kohlendioxid u.a.. Sie sind halb durchlässig für einige Ionen, Zucker und andere kleine Moleküle und, von Ausnahmen abgesehen, undurchlässig für große Moleküle. Rein formal hängt die Durch­lässigkeit einer Membran von ihrer Porengröße ab.
Das Wasser in lebenden Zellen gelangt über die Osmose in die Zellen. Zellen stehen immer im Austausch mit Wasser, z.B. sind Wasserpflanzen oder Algen direkt von Wasser umgeben. Auch menschliche Zellen werden von Blut und Lymphe umspült. Werden rote Blutkörperchen in ein hypotones Medium wie destilliertes Wasser gegeben, werden sie Wasser aufnehmen, bis sie schließlich platzen. Ihre Zellmembranen können nur sehr geringen Drücken standhalten. Man kann das Platzen unterbinden, wenn man das Blut mit einer isotonischen Lösung (0,9 prozentige NaCl-Lösung = physiologische Kochsalzlösung) verdünnt.
Viele Pflanzenzellen dagegen kann man in hypotone Lösungen geben, ohne dass sie platzen. Sie besitzen Zellwände, die einen gewissen Innendruck aushalten. Das Wasser, das von den Pflanzenwurzeln bis in die Blätter transportiert wird, folgt auch den Regeln der Osmose. Das Regen­wasser ist hypoton, doch die Wurzelzellen haben ausreichend dicke Zellwände, um einen Druck aufzubauen. Diese Zellen platzen nicht.

Osmolarität und Osmolalität:

Die Osmolarität gibt die Anzahl der osmotisch aktiven Teilchen pro Volumen Untersuchungsmaterial (üblicherweise also osm/l) an. Die Größe oder Art der Teilchen spielt für den osmotischen Druck keine Rolle, einzig die Zahl der Teilchen (gelöste Atome und Ionen, auch Moleküle wie Zucker, Proteine, Ethanol) ist entscheidend. Es handelt sich um ein physikalisches Phänomen, nicht um ein chemisches.
Zu unterscheiden sind nicht dissoziierte und dissozierte Teilchen: bei ersteren z.B. Glucose entspricht es der Molarität, bei letzteren der Anzahl Mole x Zahl der Ionen/mol.
Die Osmolalität ist der Definition gemäß identisch, bezieht sich aber nicht auf das Volumen, sondern auf die Masse (osmol/kg). Dies ist von Bedeutung, da sich das Volumen einer Flüssigkeit bei verschiedenen Temperaturen ändert, das Gewicht jedoch nicht.
Die Osmolarität ist daher abhängig von der Temperatur, die Osmolalität Temperatur unabhängig.

Umkehrosmose:

Umkehr-Osmose ist eine Filterung durch eine Membran, bei der durch Druck aus einer hypertonischen Lösung, z.B. einer Salzlösung, das Wasser "herausgepresst" wird. Die Trennmembran hat dabei so kleine Öffnungen, dass nur die Wassermoleküle, nicht aber die Salzmoleküle hindurch passen. Am Ende der Umkehr-Osmose bleibt auf der einen Seite der Membran eine hoch konzentrierte Lösung und auf der anderen Seite reines Wasser.

Anwendungsbeispiele sind die Meerwasserentsalzung, Abwasserreini­gung sowie die Konzentrierung von Fruchtsäften.