Osmose: Was zieht Wasser von hoher Konzentration zu niedriger Konzentration durch die Membran?

Abstract

Während es viele Theorien gibt, ist immer noch nicht klar, warum Osmose stattfindet? Drei solcher Erklärungen wurden in diesem Beitrag besprochen: die Diffusion aufgrund eines vermuteten Wasser-Konzentrations-Gradienten, die Erklärung des gebundenen Wassers und die Erklärung der Van’t Hoffschen Teilchen. Keiner der Mechanismen scheint als solcher zum Zustandekommen der Osmose beizutragen.

Allgemein

Osmose ist eine selektive Bewegung von Lösungsmittel aus einer Lösung durch eine halbdurchlässige Membran, die zwei Lösungen unterschiedlicher Konzentration voneinander trennt. Das Lösungsmittel bewegt sich von einem Bereich mit höherer Konzentration zu einem Bereich mit niedrigerer Konzentration. Man kann auch sagen, dass Osmose eine Bewegung von Wasser durch eine halbdurchlässige Membran, die zwei Lösungen unterschiedlicher Konzentration trennt, von einem Bereich geringerer Konzentration des Lösungsmittels zu einem Bereich höherer Konzentration des Lösungsmittels ist.

Osmotischer Druck ist der äußere Druck, der aufgebracht werden muss, um den Fluss von Wasser durch die Membran zu stoppen.

Eine semipermeable Membran lässt den gelösten Stoff nicht durch die Membran hindurch.

Die offensichtliche Frage, die sich stellt, ist, wie das Lösungsmittel, das durch eine Membran getrennt ist, die für Lösungsmittel durchlässig ist, sich durch die Membran von einem Bereich niedrigeren osmotischen Drucks zu höherem osmotischen Druck bewegt und dabei den hydrostatischen Druck überwindet. Eine Bewegung des Lösungsmittels von einer höheren Konzentration zu einer niedrigeren Konzentration bedeutet, dass sich das Wasser von einem niedrigeren osmotischen Druck zu einem höheren osmotischen Druck bewegt.

Im folgenden Diagramm sind die beiden Arme des U-Rohrs beispielsweise durch eine semipermeable Membran getrennt, wobei der rechte Arm eine Lösung mit einer niedrigeren Konzentration des gelösten Stoffes enthält als der linke Arm. Zu Beginn ist der Füllstand in beiden Armen des U-Rohrs gleich. Wenn die Osmose beginnt, wird das Lösungsmittel vom rechten Arm zum linken Arm geschoben und drückt die Lösung nach oben, obwohl die Membran für das Lösungsmittel durchlässig ist, bis der osmotische Druck im rechten Arm gleich dem hydrostatischen Druck im linken Arm ist.

Fragen:

Was treibt das Lösungsmittel in den linken Arm, wenn sich eine lösungsmitteldurchlässige Membran zwischen den beiden Armen des U-Rohrs befindet?

Sind osmotischer Druck und hydrostatischer Druck additiv? Oder ist es einfach ein Effekt der Dichte im rechten Arm des U-Rohrs. Wenn die Osmose beginnt, konzentriert sich die Konzentration des gelösten Stoffes im rechten Arm, seine Dichte nimmt zu und gleichzeitig steigt der Druck im rechten Arm, der das Lösungsmittel in den linken Arm drückt.

Während es viele Theorien gibt, ist noch immer nicht klar, warum Osmose stattfindet?

Nachfolgend sind einige der Theorien aufgeführt.

Konzentration des Wassers

Eine sehr einfache Erklärung für Osmose ist die Erklärung der Konzentration des Wassers – Wasser in reinem Wasser ist einfach konzentrierter als Wasser in Lösungen, weil der gelöste Stoff in der Lösung Platz einnehmen muss. Die Verdünnung des Wassers durch den gelösten Stoff führt zu einer geringeren Wasserkonzentration auf der Seite der Membran mit der höheren Konzentration des gelösten Stoffes, so dass eine Diffusion des Wassers entlang des Konzentrationsgradienten von hoch nach niedrig stattfindet. . Wenn dies zutrifft, dann sollte die Konzentration des Wassers in der Lage sein, die Richtung der Osmose vorherzusagen, wenn verschiedene gelöste Stoffe verwendet werden. Zum Beispiel hat eine 0,2 molal Saccharoselösung eine Wasserkonzentration von 937 g/L und eine 0,2 molal NaCl-Lösung hat eine viel höhere Wasserkonzentration – 989 g/L. Die Saccharoselösung sollte Wasser aus der NaCl-Lösung gewinnen, wenn die beiden durch eine semipermeable Membran getrennt wären. Die Anzahl der Moleküle von NaCl und Saccharose sollte keine Rolle spielen – nur die Wasserkonzentration sollte eine Rolle spielen.

Aber Tatsache ist, dass eine typische molale Konzentration von Saccharose eine niedrigere Wasserkonzentration aufweist als die gleiche Konzentration von NaCl, weil Saccharose ein viel größeres Molekül ist als NaCl und mehr Wasser verdrängt. Daher scheint der Wasserkonzentrationsgradient nicht wichtig zu sein.

Diese Erklärung ist also unhaltbar.

Erklärung des gebundenen Wassers

Diese besagt, dass jeder hydrophile gelöste Stoff (wie Saccharose oder NaCl) das hydratisierende Wasser bindet und es daran hindert, sich frei zu bewegen. Daher hat die Seite einer semipermeablen Membran mit reinem Wasser eine höhere „freie“ Wasserkonzentration als die Seite mit den gelösten Molekülen.

Wenn die Erklärung des gebundenen Wassers wahr wäre, würden wir erwarten, dass eine größere Masse an hydrophilem gelösten Stoff mehr Wasser binden würde. Außerdem müssten wir bei der Vorhersage der Osmose berücksichtigen, wie hydrophil der gelöste Stoff ist (d.h. wie viele Wassermoleküle er pro Molekül bindet).

Eigentlich hat die Anzahl der vorhandenen gelösten Moleküle einen dominanten Einfluss auf die Osmose und nicht die Hydrophilie des gelösten Stoffes.

Diese Erklärung scheidet also aus.

Anzahl der Teilchen Erklärung

Diese Erklärung basiert auf dem Van’t Hoff’schen Gesetz. Nach diesem Gesetz ist für eine verdünnte Lösung bei konstanter Temperatur das osmotische Potential proportional zur Konzentration der gelösten Teilchen. Die Größe oder Art der gelösten Teilchen spielt dabei keine Rolle. So hätte z. B. ein kleines Natrium-Ion die gleiche osmotische Wirkung wie ein großes Saccharose-Molekül, und beide wären äquivalent zu einem sehr großen Stärkemolekül. Das bedeutet auch, dass ionisierende Substanzen wie NaCl eine größere osmotische Wirkung haben sollten als nicht-ionisierende Substanzen wie Saccharose, da sie bei der Ionisierung mehr Teilchen erzeugen. Das Van’t Hoff’sche Gesetz erklärt die Osmose bis zu einem gewissen Grad besser als die beiden früheren Erklärungen, aber Tatsache ist, dass das Van’t Hoff’sche Gesetz eine empirische Beziehung ist, keine physikalische Beschreibung, warum Osmose auftritt.

Der bekannteste Ausdruck für den osmotischen Druck lautet Π = iMRT, wobei Π der osmotische Druck in atm ist i = Van’t Hoff-Faktor des gelösten Stoffes M = molare Konzentration in mol/L R = universelle Gaskonstante = 0,08206 L-atm/mol-K T = absolute Temperatur in K Der osmotische Druck hängt vom Van’t Hoff-Faktor der molaren Konzentration des gelösten Stoffes ab. Der Van’t-Hoff-Faktor drückt das Ausmaß der Assoziation oder Dissoziation von gelösten Stoffen in Lösung aus und ist die Anzahl der Teilchen, die ein gelöster Stoff in Wasser dissoziiert. Beispiel: für Saccharose ist er 1 und für NaCl ist er 2