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Osmose

von griechisch: ōsmós - Eindringen, Schub, Antrieb
Synonym: Behinderte Diffusion
Englisch: osmosis

1 Definition

Osmose bezeichnet die Diffusion einer Flüssigkeit durch eine selektiv-permeable Membran entlang eines Konzentrationsgefälles der Lösungsmittel im Bezug auf die gelösten Teilchen. Die Diffusion erfolgt in Richtung der höheren Konzentration.

2 Prinzip

Die obige Abbildung zeigt das Prinzip der Osmose: es strömt reines Lösungsmittel von der linken Kammer in die rechte Kammer, um die dort vorhandene Lösung, die die Substanz A enhält, gemäß dem Konzentrationsgradienten zu verdünnen. Da Lösungsmittel einströmt, nimmt folglich das Volumen der Flüssigkeit in der rechten Kammer zu, während es in der linken Kammer abnimmt. Da die Flüssigkeitssäule auf der rechten Seite ansteigt, wird ein Druck p (hydrostatischer Druck) erzeugt, der auf die in der Mitte befindliche Membran drückt. Dieser Druck verursacht eine steigende Tendenz des Lösungsmittels, wieder zurück in die andere Kammer zu strömen und wirkt somit dem Verdünnungsbestreben entgegen. Herrscht ein Gleichgewicht, ist die Zahl der in beide Richtungen diffundierenden Lösungsmittelmoleküle gleich groß. Der vorherrschende hydrostatische Druck wird außerdem als osmotischer Druck (posm) bezeichnet. Er ist abhängig von der Temperatur und von der Konzentration der gelösten Substanz A.

Formel
posm = [A] × R × T [A] = Konzentration von Substanz A (in mol/L)
R = allgemeine Gaskonstante (8,31 kPa × L × mol-1 × K-1)
T = absolute Temperatur (in K)

3 Beispiel

Nehmen wir als gelöste Substanz ein Salz, so zerfällt dieses beim Lösen in zwei oder mehr Ionen. Der osmotische Druck der Lösung (hier Salzlösung) ist von der Anzahl der entstehenden Ionen abhängig, nicht etwa von der Ladung oder der Größe. Aus Kochsalz (NaCl) entstehen somit beim Lösen in Wasser zwei Ionen, Na+ und Cl-. Das heißt, dass aus 1 mol NaCl insgesamt 2 mol Ionen entstehen, aus 1 mol CaCl2 entsprechend 3 mol der Ionen (Ca2+ und 2 Cl-).

4 Umkehrosmose

Übt man auf die Lösung auf den rechten Arm der rechten Abbildung einen Druck aus, der höher als der osmotische Druck ist, so wird ein Teilchenfluss aus der Lösung in das reine Lösungsmittel erzwungen. Dieser Vorgang wird als Umkehrosmose bezeichnet. Anwendung findet das zum Beispiel zum Konzentrieren von Fruchtsäften, vor allem aber zur Wasseraufbereitung und zur Gewinnung von Wasser in Trinkqualität aus Salzwasser, statt. Dazu ist eine semipermeable Membran notwendig, die für Wassermoleküle durchlässig ist, jedoch nicht für hydratisierte Ionen. Dies ist dann der Fall, wenn der Durchmesser der Poren in der Membran kleiner als 5 Nanometer ist. Sogenannte Nanofilter mit einem Porendurchmesser von 10-100 nm halten die stärker hydratisierten, zweifach geladenen Ionen zurück, jedoch nicht die einfach geladenen Ionen - sie eignen sich somit zur Wasserenthärtung.

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