Osmose

Osmose ist die Nettobewegung eines Lösungsmittels durch eine Membran, die für das Lösungsmittel wesentlich durchlässiger ist als für den gelösten Stoff. Die Richtung wird durch das chemische Potential des Lösungsmittels bestimmt, nicht durch eine geheimnisvolle Kraft, die „Wasser zum Salz zieht“.

Eine semipermeable Membran schafft die Voraussetzung

Kann der gelöste Stoff die Membran nicht passieren, das Lösungsmittel aber schon, ist gewöhnliches Durchmischen nicht möglich. Das Lösungsmittel bewegt sich tendenziell zu der Seite mit dem niedrigeren chemischen Potential. Bei verdünnten Lösungen gleicher Temperatur und gleichen Drucks ist dies meist die Seite mit der höheren Konzentration gelöster Teilchen.

verdünntkonzentriertNettofluss des Lösungsmittels
Die Membran muss zwischen Lösungsmittel und gelöstem Stoff unterscheiden. Ohne selektive Permeabilität verändert die gewöhnliche Diffusion beider Komponenten die Situation.

Osmotischer Druck gleicht die Flusstendenz aus

Für eine ideale verdünnte Lösung: π = iMRT

π ist der osmotische Druck, M die Stoffmengenkonzentration, T die absolute Temperatur und i berücksichtigt näherungsweise die Zahl der gelösten Teilchen, die pro Formeleinheit entstehen.

Der osmotische Druck ist der zusätzliche Druck, der auf der Lösungsseite angelegt werden müsste, um den Nettoeintritt des Lösungsmittels zu stoppen. Im ideal verdünnten Grenzfall ist er eine kolligative Eigenschaft.

Osmosedruck-Explorer

angelegter DruckUmkehrosmose: Druck > π
Der Druck ist die entgegenwirkende thermodynamische Größe. Im Gleichgewicht kompensiert die Druckdifferenz den Unterschied des chemischen Potentials des Lösungsmittels.

Tonizität ist eine biologische Anwendung, kein Synonym

Bei Zellen ist entscheidend, ob gelöste Stoffe die Membran innerhalb der betrachteten Zeitspanne passieren können. Eine Lösung kann isoosmotisch, aber nicht isotonisch sein, wenn ihr gelöster Stoff rasch in die Zelle gelangt. Tonizität hängt daher sowohl von der Membranpermeabilität als auch von der Konzentration ab.

Reale Lösungen weichen von der Idealformel ab

Die van-’t-Hoff-Beziehung funktioniert am besten für verdünnte Lösungen. Elektrolytionen wechselwirken, Moleküle können sich assoziieren, und Membranen sind selten vollkommen selektiv. Für genaue Berechnungen ersetzen Aktivitäten und gemessene osmotische Koeffizienten die einfache Teilchenzählungs-Näherung.

Durchgerechnete Beispiele

1. Osmotischer Druck einer Saccharoselösung

Lösung

Für 0,20 M Saccharose bei 298 K und i ≈ 1 gilt π ≈ (0,20)(0,08206)(298) = 4,89 atm.

2. Idealer Vergleich mit NaCl

Lösung

Bei gleicher M und T liefert ideales NaCl mit i ≈ 2 ungefähr den doppelten osmotischen Druck eines Nichtelektrolyten, auch wenn reale Lösungen davon abweichen.

3. Umkehrosmose

Lösung

Hat eine Lösung π = 25 bar, übersteigt ein auf der Lösungsseite angelegter Druck von 30 bar den osmotischen Druck. Dadurch kann der Nettofluss des Lösungsmittels entgegen der spontanen Osmoserichtung erzwungen werden.