Osmose - Osmosis

Der Prozess der Osmose über einer semipermeablen Membran. Die blauen Punkte stellen Partikel dar, die den osmotischen Gradienten antreiben.

Osmosis ( / ɒ z m s ɪ s / , US ebenfalls / ɒ s - / ) ist die spontane Nettobewegung oder Diffusion von Lösungsmittel - Molekülen durch ein selektiv permeable Membran aus einem Bereich mit hohem Wasserpotential (Bereich niedrigerer solute Konzentration) in eine Region mit niedrigem Wasserpotential (Region mit höherer Konzentration an gelösten Stoffen), in der Richtung, die dazu neigt, die Konzentrationen der gelösten Stoffe auf beiden Seiten auszugleichen. Es kann auch verwendet werden, um einen physikalischen Prozess zu beschreiben, bei dem ein beliebiges Lösungsmittel über eine selektiv permeable Membran (permeabel für das Lösungsmittel, aber nicht für den gelösten Stoff) bewegt wird, die zwei Lösungen unterschiedlicher Konzentration trennt. Osmose kann zur Arbeit gemacht werden . Der osmotische Druck ist definiert als der externe Druck , der aufgebracht werden muss, damit es keine Nettobewegung des Lösungsmittels durch die Membran gibt. Der osmotische Druck ist eine kolligative Eigenschaft , was bedeutet, dass der osmotische Druck von der molaren Konzentration des gelösten Stoffes, aber nicht von seiner Identität abhängt .

Osmose ist ein lebenswichtiger Prozess in biologischen Systemen , da biologische Membranen semipermeabel sind. Im Allgemeinen sind diese Membranen für große und polare Moleküle wie Ionen , Proteine und Polysaccharide undurchlässig , während sie für unpolare oder hydrophobe Moleküle wie Lipide sowie für kleine Moleküle wie Sauerstoff, Kohlendioxid, Stickstoff und Stickstoff durchlässig sind Oxid. Die Permeabilität hängt von der Löslichkeit, Ladung oder Chemie sowie der Größe des gelösten Stoffes ab. Wassermoleküle wandern durch die Plasmamembran, Tonoplastenmembran (Vakuole) oder Protoplasten, indem sie über Aquaporine (kleine Transmembranproteine, die für die erleichterte Diffusion und Ionenkanäle verantwortlich sind) durch die Phospholipiddoppelschicht diffundieren . Osmose ist das wichtigste Mittel, mit dem Wasser in und aus Zellen transportiert wird . Der Turgordruck einer Zelle wird größtenteils durch Osmose über die Zellmembran zwischen dem Zellinneren und ihrer relativ hypotonen Umgebung aufrechterhalten.

Geschichte

Das von Dutrochet erfundene „ Endosmometer “.

Einige Arten von osmotischen Strömungen wurden seit der Antike beobachtet, zB beim Bau ägyptischer Pyramiden. Jean-Antoine Nollet dokumentierte erstmals 1748 die Beobachtung der Osmose. Das Wort "Osmose" leitet sich von den Wörtern "Endosmose" und "Exosmose" ab, die der französische Arzt René Joachim Henri Dutrochet (1776–1847) aus den griechischen Wörtern ( éndon „innerhalb“), ἔξω ( éxō „äußeres, äußeres“) und ὠσμός ( ōsmós „Druck, Impuls“). 1867 erfand Moritz Traube hochselektive Fällungsmembranen und brachte damit die Kunst und Technik der Messung des osmotischen Flusses voran.

Beschreibung

Osmose ist die Bewegung eines Lösungsmittels durch eine semipermeable Membran zu einer höheren Konzentration des gelösten Stoffes. In biologischen Systemen ist das Lösungsmittel typischerweise Wasser, aber Osmose kann in anderen Flüssigkeiten, überkritischen Flüssigkeiten und sogar Gasen auftreten.

Wenn eine Zelle in Wasser eingetaucht wird , passieren die Wassermoleküle die Zellmembran von einem Bereich mit niedriger Konzentration an gelösten Stoffen zu einer hohen Konzentration an gelösten Stoffen. Wird die Zelle beispielsweise in Salzwasser getaucht, wandern Wassermoleküle aus der Zelle heraus. Wird eine Zelle in Süßwasser getaucht, wandern Wassermoleküle in die Zelle.

Wasser, das durch eine semipermeable Membran strömt

Wenn die Membran auf beiden Seiten ein Volumen von reinem Wasser hat, treten Wassermoleküle in jede Richtung mit genau der gleichen Geschwindigkeit ein und aus. Es gibt keinen Nettodurchfluss von Wasser durch die Membran.

Osmose kann nachgewiesen werden, wenn Kartoffelscheiben in eine salzreiche Lösung gegeben werden. Das Wasser aus dem Inneren der Kartoffel gelangt in die Lösung, wodurch die Kartoffel schrumpft und ihren „Turgordruck“ verliert. Je konzentrierter die Salzlösung ist, desto größer ist der Verlust an Größe und Gewicht der Kartoffelscheibe.

Chemiegärten demonstrieren die Wirkung der Osmose in der anorganischen Chemie.

Mechanismus

Der Mechanismus, der für das Antreiben der Osmose verantwortlich ist, wurde in Biologie- und Chemietexten häufig entweder als Verdünnung von Wasser durch gelösten Stoff dargestellt (was zu einer niedrigeren Wasserkonzentration auf der Seite der höheren Konzentration des gelösten Stoffes der Membran und daher zu einer Diffusion von Wasser entlang eines Konzentrationsgradienten führt) oder durch die Anziehung eines gelösten Stoffes zu Wasser (was zu weniger freiem Wasser auf der Seite der höheren Konzentration des gelösten Stoffes der Membran führt und daher eine Nettobewegung von Wasser in Richtung des gelösten Stoffes). Beide Vorstellungen wurden schlüssig widerlegt.

Das Diffusionsmodell der Osmose wird dadurch unhaltbar, dass Osmose Wasser durch eine Membran zu einer höheren Wasserkonzentration treiben kann. Das Modell des „gebundenen Wassers“ wird dadurch widerlegt, dass die Osmose unabhängig von der Größe der gelösten Moleküle – einer kolligativen Eigenschaft – oder ihrer Hydrophilie ist.

Osmose ist ohne mechanische oder thermodynamische Erklärung schwer zu beschreiben, aber im Wesentlichen gibt es eine Wechselwirkung zwischen dem gelösten Stoff und Wasser, die dem Druck entgegenwirkt, den ansonsten freie Moleküle des gelösten Stoffes ausüben würden. Zu beachten ist, dass Wärme aus der Umgebung in mechanische Energie (aufsteigendes Wasser) umgewandelt werden kann.

Viele thermodynamische Erklärungen gehen auf das Konzept des chemischen Potentials ein und wie sich die Funktion des Wassers auf der Lösungsseite von der des reinen Wassers aufgrund des höheren Drucks und der Anwesenheit des gelösten Stoffes unterscheidet, der dem entgegenwirkt, so dass das chemische Potential unverändert bleibt. Das Virialtheorem zeigt, dass die Anziehung zwischen den Molekülen (Wasser und gelöster Stoff) den Druck verringert und somit der Druck, den die Wassermoleküle in Lösung aufeinander ausüben, geringer ist als in reinem Wasser, so dass reines Wasser die Lösung "zwingen" kann, bis der Druck erreicht ist Gleichgewicht erreicht.

Rolle in Lebewesen

Wirkung verschiedener Lösungen auf Blutzellen
Mikroskopische Aufnahmen des osmotischen Drucks auf roten Blutkörperchen (RBC)
Pflanzenzelle in verschiedenen Umgebungen.

Der osmotische Druck ist in vielen Pflanzen der wichtigste Stützfaktor. Der osmotische Wassereintritt erhöht den auf die Zellwand ausgeübten Turgordruck , bis er dem osmotischen Druck entspricht, wodurch ein stationärer Zustand entsteht .

Wenn eine Pflanzenzelle in eine relativ zum Zytoplasma hypertonische Lösung gegeben wird, wandert Wasser aus der Zelle und die Zelle schrumpft. Dabei wird die Zelle schlaff . Im Extremfall wird die Zelle plasmolysiert – die Zellmembran löst sich aufgrund des fehlenden Wasserdrucks von der Zellwand.

Wenn eine Pflanzenzelle in eine im Verhältnis zum Zytoplasma hypotonische Lösung gegeben wird, dringt Wasser in die Zelle ein und die Zelle schwillt an, um prall zu werden .

Osmose ist für die Fähigkeit der Pflanzenwurzeln verantwortlich, Wasser aus dem Boden zu ziehen. Pflanzen konzentrieren durch aktiven Transport gelöste Stoffe in ihren Wurzelzellen , und Wasser dringt durch Osmose in die Wurzeln ein. Osmose ist auch verantwortlich für die Bewegung der Steuerung Schließzellen .

In ungewöhnlichen Umgebungen kann Osmose für Organismen sehr schädlich sein. Zum Beispiel sterben Süß- und Meerwasseraquarienfische, die in Wasser mit einem anderen Salzgehalt als dem, an den sie angepasst sind, platziert werden, schnell und im Fall von Meerwasserfischen dramatisch. Ein weiteres Beispiel für eine schädliche osmotische Wirkung ist die Verwendung von Speisesalz zur Abtötung von Blutegeln und Nacktschnecken .

Angenommen, eine Tier- oder Pflanzenzelle wird in eine Lösung von Zucker oder Salz in Wasser gelegt.

  • Wenn das Medium hypoton zu Zytoplasma der Zelle relativ, wird die Zelle durch Osmose Wasser gewinnen.
  • Wenn das Medium isotonisch ist , gibt es keine Nettobewegung von Wasser durch die Zellmembran.
  • Wenn das Medium relativ zum Zellzytoplasma hypertonisch ist , verliert die Zelle durch Osmose Wasser.

Dies bedeutet, dass eine Zelle, wenn sie in eine Lösung mit einer höheren Konzentration an gelösten Stoffen als ihre eigene gegeben wird, schrumpft, und wenn sie in eine Lösung mit einer niedrigeren Konzentration an gelösten Stoffen als ihre eigene gelegt wird, die Zelle anschwillt und sogar platzen kann .

Faktoren

Osmotischer Druck

Der Osmose kann entgegengewirkt werden, indem der Druck im Bereich hoher Konzentration des gelösten Stoffes gegenüber dem im Bereich niedriger Konzentration des gelösten Stoffes erhöht wird. Die Kraft pro Flächeneinheit oder der Druck, die erforderlich ist, um den Durchgang von Wasser (oder einer anderen Lösung mit hoher Liquidität ) durch eine selektiv permeable Membran und in eine Lösung höherer Konzentration zu verhindern, entspricht dem osmotischen Druck der Lösung oder dem Turgor . Der osmotische Druck ist eine kolligative Eigenschaft , was bedeutet, dass die Eigenschaft von der Konzentration des gelösten Stoffes abhängt, jedoch nicht von seinem Gehalt oder seiner chemischen Identität.

Osmotischer Gradient

Der osmotische Gradient ist der Konzentrationsunterschied zwischen zwei Lösungen auf beiden Seiten einer semipermeablen Membran und wird verwendet, um den prozentualen Unterschied der Konzentration eines bestimmten, in einer Lösung gelösten Partikels zu bestimmen.

Normalerweise wird der osmotische Gradient beim Vergleich von Lösungen verwendet, die eine semipermeable Membran zwischen sich haben, die es Wasser ermöglicht, zwischen den beiden Lösungen in Richtung der hypertonischen Lösung (der Lösung mit der höheren Konzentration) zu diffundieren. Schließlich wird die Kraft der Wassersäule auf der hypertonischen Seite der semipermeablen Membran gleich der Diffusionskraft auf der hypotonischen (der Seite mit geringerer Konzentration) sein, wodurch ein Gleichgewicht entsteht. Wenn das Gleichgewicht erreicht ist, fließt Wasser weiter, aber es fließt in beide Richtungen in gleicher Menge und Kraft und stabilisiert so die Lösung.

Variation

Umkehrosmose

Umkehrosmose ist ein Trennverfahren, bei dem ein Lösungsmittel mit Druck durch eine semipermeable Membran gedrückt wird , die den gelösten Stoff auf einer Seite zurückhält und das reine Lösungsmittel auf die andere Seite passieren lässt, wodurch es aus einem Bereich mit hoher Konzentration des gelösten Stoffes durch eine Membran gedrückt wird in einen Bereich mit niedriger Konzentration des gelösten Stoffes durch Anlegen eines Drucks, der über dem osmotischen Druck liegt .

Vorwärtsosmose

Osmose kann direkt verwendet werden, um eine Trennung von Wasser aus einer Lösung zu erreichen, die unerwünschte gelöste Stoffe enthält. Eine "Zieh"-Lösung mit einem höheren osmotischen Druck als die Zufuhrlösung wird verwendet, um einen Netto-Wasserfluss durch eine semipermeable Membran zu induzieren, so dass die Zufuhrlösung konzentriert wird, wenn die Ziehlösung verdünnt wird. Die verdünnte Ziehlösung kann dann direkt verwendet werden (wie bei einem einnehmbaren gelösten Stoff wie Glukose) oder einem zweiten Trennprozess zur Entfernung des Zieh-gelösten Stoffes zugeführt werden. Diese sekundäre Trennung kann in Abhängigkeit von dem verwendeten gelösten Stoff und dem behandelten Speisewasser effizienter sein als ein Umkehrosmoseverfahren allein. Die Vorwärtsosmose ist ein Bereich der laufenden Forschung, der sich auf Anwendungen in der Entsalzung , Wasserreinigung , Wasseraufbereitung , Lebensmittelverarbeitung und anderen Studienbereichen konzentriert.

Siehe auch

Verweise

Externe Links