Osmose, osmotischer Wert und osmotischer Druck

Wie bei vielen anderen naturwissenschaftlichen Begriffen geistert auch zum Thema Osmose und besonders osmotischer Druck sehr viel Halbwissen durch die aquaristische Ecke des Internet. Viele Aquarianer wiegen sich in der Gewissheit, dass ihre Weltanschauung der Fischhaltung sich sogar wissenschaftlich untermauern lässt. Das erfordert allerdings ein Modell der Zusammenhänge, das in diametralem Widerspruch zu den tatsächlichen Gegebenheinten steht. Diese Artikelserie soll über die tatsächlichen Gegebenheiten und ihre Zusammenhänge rund um das Thema Osmose aufklären. Beginnen möchte ich mit den Grundlagen der Osmose und den damit eng verknüpften Begriffen osmotischer Wert und osmotischer Druck.

Osmose

Osmose ist ein Sonderfall des passiven Transports. Der Prozess der Osmose ist der Konzentrationsausgleich zwischen zwei Lösungen, die durch eine halbdurchlässige, selektiv permeable oder semipermeable Membran getrennt sind. Halbdurchlässig, selektiv permeabel oder semipermeabel bedeutet, dass nur bestimmte Substanzen durch die Membran gelangen können, andere dagegen nicht.

Meist kann nur das Lösemittel, nicht aber die darin gelösten Substanzen durch die Membran passieren. Ein Konzentrationsausgleich zwischen den beiden Lösungen kann also nur durch Diffusion von Lösungsmittel durch die Membran stattfinden. Dabei wandert das Lösemittel von der geringer konzentrierten zur stärker konzentrierten Lösung. Ein wichtiges Beispiel sind das Lösemittel Wasser und wässrige Lösungen von Salzen.

Ist eine Lösung geringer konzentriert als die andere, so ist sie gegenüber dieser hypotonisch (von griechisch hypo- = weniger, unter, niedriger), ist sie höher konzentriert, bezeichnet man sie als hypertonisch (von griechisch hyper- = größer, über, höher) und sind beide gleich stark konzentriert, so sind sie isotonisch (von griechisch iso- = gleich). Bei Systemen, in denen eine der beiden Lösungen zur anderen jeweils hypoton beziehungsweise hyperton ist, liegt zwischen beiden Lösungen also auch ein Konzentrationsgradient oder Konzentrationsgefälle vor, die Konzentration ändert sich von Lösung A zu Lösung B. Die Größe des Konzentrationsgradienten bestimmt Richtung und Größenordnung der Lösemittelbewegung.

So ein System von zwei durch eine semipermeablen Membran getrennten, unterschiedlich konzentrierten Lösungen, ist auch (Aquarien)wasser und die Körperflüssigkeit von Fischen. Das Lösungsmittel ist Wasser. Im Aquarienwasser sind dabei verschiedene Salze (Ionen), in der Körperflüssigkeit (Blut, Lymphe, interstitielle Flüssigkeit) der Fische sind daneben noch Aminosäuren und Saccharide (Zucker) gelöst.

osmotischer Wert

Der osmotische Wert ist die für die Osmose bedeutende Eigenschaft einer Lösung. Der osmotische Wert einer Lösung wird vornehmlich durch die Stoffmengenkonzentration osmotisch wirksamer Teilchen nosm bestimmt. Osmotisch wirksame Teilchen beeinflussen die osmotischen Eigenschaften einer Lösung, sie werden auch Osmolyte genannt. Der osmotische Wert einer Lösung wird in zwei unterschiedlichen Einheiten gemessen und angegeben, Osmolalität und Osmolarität.

Neben den kleinen Ionen anorganischer Salze, Säuren und Laugen tragen auch komplexere Moleküle wie organische Ionen und ungeladene Moleküle wie Amonisäuren und Zucker zum osmostischen Wert einer Lösung bei. Da Salze, Laugen und Säuren im Wasser in Ionen zerfallen, wirken sich auch die einzelnen Ionen auf den osmotischen Wert aus. Aus zehn Teilchen kristallinem Kochsalz (Natriumchlorid) werden beim Auflösen in Wasser zehn Natrium-Ionen und zehn Chlorid-Ionen. Es enststehen 20 osmotisch aktive Teilchen im Wasser.

Osmolarität

Die Osmolarität oder osmotische Konzentration beschreibt die Konzentration osmotisch wirksamer Teilchen pro Volumeneinheit einer Lösung, meist pro Liter. Die Osmolarität einer Lösung wird daher meist als Osmol pro Liter (Osmol/l) angegeben.

Osmolalität

Neben der Osmolarität gibt es noch den sehr ähnlichen Begriff der Osmolalität, welcher ebenfalls die Menge osmotisch aktiver Teilchen beschreibt, allerdings pro Masseneinheit statt Volumeneinheit. Meist wird die Osmolalität in Osmol pro Kilogramm (Osmol/kg) angeben.

osmotischer Druck und osmotische Saugkraft

Der osmotische Druck ist die Kraft, die durch die in einer Lösung gelösten Teilchen gegenüber reinem Lösemittel hinter einer semipermeablen Membran verursacht wird. Es ist die Kraft, die den Prozess der Osmose antreibt. Der osmotische Druck entspricht der Kraft, die aufgewendet werden muss, um den Prozess der Osmose zu stoppen. Der osmotische Druck ensteht macht sich auch als Ausdehnungsdruck durch den Einstrom von Lösemittel (z. B. Wasser) und der damit verbundenen Volumenzunahme in einen von einer Membran umschlossenen Raum (z. B. eine Zelle) bemerkbar.

Eine weitere Möglichkeit, die osmotischen Eigenschaften einer Lösung zu beschreiben, ist die osmotische Saugkraft, auch osmotisches Potential genannt. Sie entspricht dem osmotischen Druck mit negativem Vorzeichen.

Der osmotische Druck ist eine physikalische Größe, eine Kraft. Die Einheit dieser Kraft ist Pascal (Pa). Der osmotische Druck (P oder Pi / Π) ist in erster Näherung vornehmenlich von der Konzentration an osmotisch wirksamen Teilchen (c = n ⁄ V) in der Lösung bestimmt, also dem osmotischen Wert. Der osmotische Druck einer Lösung ist umso höher, je mehr Teilchen darin gelöst sind. Daneben bestimmt auch die Temperatur (K; Kelvin) den osmotischen Druck. Er verhält sich proportional dazu, steigt also mit zunehmender Temperatur und nimmt mit sinkender Temperatur ab. R steht für die allgemeine Gaskonstante (R ≈ 8,31). In verdünnten Lösungen mit Konzentrationen unter 0,1 mol/l oder 1000 mmol/l lässt sich der osmotische Druck mit der folgenden Formel berechnen:

    Π = c × R × K

Bei gleicher Temperatur dominiert daher der osmotische Wert oder die Osmolyt-Konzentration den osmotischen Druck einer Lösung.

Wie beim osmotischen Wert lassen sich Lösungen auch anhand ihres osmotische Drucks beschreiben. Weist eine Lösung enen höheren osmotischen Druck auf als die andere, ist sie gegenüber dieser hyperosmotisch. Die andere Lösung ist also folgerichtig gegenüber ersterer Lösung hypoosmotisch. Ist der osmotische Druck in beiden Lösungen gleich hoch, so sind sie zueinander isoosmotisch.

den osmotischen Druck messen

Einer der ersten, die sich eingehend wissenschaftlich mit dem Phänomen des osmotischen Drucks befassten, war der deutsche Botaniker Wilhelm Pfeffer. Pfeffer benutze für seine Untersuchungen ein nach ihm Pfeffersche Zelle genanntes Gerät, mit dem der osmotische Druck wässriger Lösungen bestimmt wird. Die Pfeffersche Zelle ist also ein Osmometer. Ein Osmometer ist ein Gerät, mit dem der osmotische Druck direkt gemessen wird.

Weitere Verfahren zur Ermittlung des omostischen Drucks sind indirekte Methoden. Hier wird der omotische Wert einer Lösung beispielsweise durch Gefrierpunkterniedrigung oder Siedepunkterhöhung bestimmt und der osmotische Druck berechnet.

Fazit

Die Regulation des inneren Milleaus von Wasser- und Salzhaushalt ist alle Lebewesen überlebensnotwendig. So scheiden Süßwasserfische täglich bis zu etwa einem Drittel ihres Körpergewichts an durch Osmose in ihren Körper eingedrungenem Wasser aus. Diese biologischen Vorgänge werden maßgeblich von den physikalischen Gesetzen der Osmose bestimmt.

Da Osmose nur in einem System aus zwei von einer semipermiablen Membran getrennten Lösungen stattfindet, ist die bloße Betrachtung der osmotischen Eigenschaften einer der beiden Lösungen wenig aufschlussreich und sinnvoll.

Ich hoffe, der Text ist verständlich und hat eure Fragen beantwortet. Wenn ihr Fragen habt oder Anregungen und Kritik loswerden wollt, schreibt mir einen Kommentar im Blog. Im nächsten Artikel werde ich die Grundlagen der Iono- und Osmoregulation bei Fischen erläutern und auf die Bedeutung des Prinzips der Osmose für unsere Aquarienpfleglinge eingehen.

Belegstellen, weiterführende Literatur und externe Links

  1. Moore, W. J. (1983): Grundlagen der physikalischen Chemie. Übersetzt von Wolfgang Paterno. deGruyter, Berlin; New York. ISBN 3-11-009941-1
    1. S. 215 f.

weiterführende Literatur:

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