Osmose-Definition, Mechanismen der Osmose

Osmose-Definition

Osmose-Definition, Mechanismen der Osmose ist ein biophysikalischer Prozess, der häufig in biologischen Systemen auftritt, bei dem sich Lösungsmittelmoleküle durch eine semipermeable Membran zu einem Bereich hoher Konzentration gelöster Stoffe bewegen.

  • Es ist eine Art passiver Transport und ist in die Richtung gerichtet, die dazu neigt, die Konzentration des gelösten Stoffes über eine semipermeable Membran auszugleichen.
  • Es ist ein üblicher Prozess, der in den meisten biologischen Membranen der Organismen stattfindet.
  • In einem biologischen System ist das Lösungsmittel meistens Wasser; Osmose kann aber auch in anderen Flüssigkeiten und sogar Gasen stattfinden.
  • Da es sich um ein passives Transportmittel handelt, benötigt es keine Energie.

Mechanismen der Osmose (Wie funktioniert Osmose?)

  • Um den Prozess und Mechanismus der Osmose zu beschreiben, nehmen wir zwei Lösungen, die durch eine semipermeable Membran getrennt sind.
  • Eine der Lösungen ist reines Wasser, während die andere eine Lösung aus einem gelösten Stoff und Wasser ist.
  • Gemäß der Definition der Osmose bewegt sich in einem solchen Fall reines Wasser durch die Membran in Richtung der gelösten Lösung.
  • Es wurden mehrere Beschreibungen gegeben, um die treibende Kraft der Osmose zu verstehen. Ein solches Theorem erklärt, dass die Bewegung von Wasser durch die Membran aufgrund des Konzentrationsgradienten von Wasser in den beiden Lösungen resultiert.
  • Dieser Satz erklärt jedoch nicht den Vorgang der Umkehrosmose, die gegen den Konzentrationsgradienten mit der Bewegung des Lösungsmittels in Richtung der Lösung mit niedrigerer Konzentration auftritt.
  • Ein weiteres Theorem, das von mehreren anderen Wissenschaftlern aufgestellt wurde, ist die Tatsache, dass die gelösten Moleküle in der Lösung die Lösungsmittelmoleküle durch die Membran ziehen. Auch dieser Satz gilt nicht, da die Größe der gelösten Moleküle die Bewegung eines Lösungsmittels durch die Membran nicht beeinflusst.
  • Daher wurde der Vorgang der Osmose mit dem Konzept des chemischen Potentials erklärt.
  • Das chemische Potenzial von reinem Wasser in einer Lösung unterscheidet sich vom chemischen Potenzial von Wasser in der Lösung mit gelösten Molekülen.
  • Die Wechselwirkung zwischen dem gelösten Stoff und den Wassermolekülen verringert den Druck, der von den Wassermolekülen in der Lösung des gelösten Stoffes ausgeübt wird. Dadurch üben die Wassermoleküle im reinen Wasser bei geringerer Lösungsmittelkonzentration mehr Druck auf die Lösung aus.
  • Dieser Druck führt dazu, dass Wasser durch die Membran gepresst wird. Dieser Prozess wird fortgesetzt, bis der Druck auf beiden Seiten gleich wird, was zu einem Gleichgewicht führt.

Faktoren, die die Osmose beeinflussen

Osmose ist das Ergebnis verschiedener Faktoren, und somit wird die Osmoserate von einer Reihe solcher Faktoren beeinflusst:

Temperatur

  • Die Osmoserate nimmt mit steigender Temperatur des Systems zu.
  • Dies geschieht, weil mit steigender Temperatur auch die Energie der Moleküle zunimmt.
  • Wenn die Moleküle energiereicher werden, nimmt auch ihre Bewegung zu und somit wird der Osmoseprozess eskaliert.

Konzentrationsgradient

  • Da die Konzentration der gelösten Moleküle für die treibende Kraft der Osmose wesentlich ist, beeinflussen alle Konzentrationsänderungen direkt die Osmosegeschwindigkeit.
  • Osmose schießt in einem Zustand in die Höhe, in dem der Konzentrationsunterschied des gelösten Stoffes durch die Membran höher ist.
  • Da die Anzahl der gelösten Moleküle in einer Lösung größer ist als in der anderen, nimmt der von den Lösungsmittelmolekülen ausgeübte Druck ab, wodurch der Osmoseprozess beschleunigt wird.
  • Sobald das Gleichgewicht über die Membran aufrechterhalten ist, hört der Osmoseprozess auf.

Wasserpotential/ Lösungsmittelpotential

  • Das Wasserpotential über einer semipermeablen Membran beeinflusst auch die Osmoserate.
  • Da das Wasserpotential einer Lösung höher ist, können sich die Wassermoleküle durch die Membran bewegen, wenn der von den Partikeln ausgeübte Druck erhöht wird.
  • Schließlich wird das Wasserpotential auf beiden Seiten gleich, wodurch ein Gleichgewicht entsteht.
  • Sobald das Gleichgewicht erreicht ist, fließt das Wasser weiter über die Membran, aber es fließt in beide Richtungen zu gleichen Mengen, wodurch die Lösungen stabilisiert werden.

Oberfläche und Dicke der Membran

  • Mit der Vergrößerung der Oberfläche steht den Molekülen mehr Platz für ihre Bewegung zur Verfügung, was wiederum die Osmoserate erhöht.
  • Wenn die Oberfläche verringert wird, steht den Molekülen ebenfalls weniger Bewegungsraum zur Verfügung, was ihre Bewegung einschränkt.
  • Auch die Osmoserate wird mit zunehmender Membrandicke reduziert.

Druck

  • Der Druck ist ein wesentlicher Faktor, der den Osmoseprozess beeinflusst, da er sogar die Osmoserichtung ändern kann.
  • Wenn der Druck über den von den Lösungsmittelmolekülen ausgeübten Druck ausgeübt wird, kann sich die Osmoserichtung ändern und die Lösungsmittelmoleküle beginnen, sich in Richtung des Bereichs mit höherer Lösungsmittelkonzentration zu bewegen.
  • Wenn jedoch ein geringerer Druck als der von den Lösungsmittelmolekülen ausgeübte Druck ausgeübt wird, ändert dies nicht die Richtung, sondern verringert die Osmoserate.
  • Der Druck in der gleichen Richtung des Konzentrationsgradienten erhöht auch die Osmoserate.

Variation/ Arten der Osmose

Je nach Bewegungsrichtung der Lösungsmittelmoleküle gibt es einige Variationen oder Arten der Osmose.

Umkehrosmose und Vorwärtsosmose

  • Umkehrosmose ist eine Trennmethode, die verwendet wird, um ein Lösungsmittel durch eine semipermeable Membran zu drücken, was zu gelösten Molekülen auf der einen Seite und Lösungsmittelmolekülen auf der anderen Seite führt.
  • Die Umkehrosmose unterscheidet sich von der Vorwärtsosmose dadurch, dass die Umkehrosmose hydraulischen Druck verwendet, um das Lösungsmittel gegen den osmotischen Druck zu drücken.
  • Die Vorwärtsosmose ist eine weitere Variation der Osmose, bei der der osmotische Druckgradient verwendet wird, um den Wasserfluss aus der Probenlösung zu induzieren, um die gelösten Stoffe zu trennen.
  • Bei der Vorwärtsosmose wird eine Ziehlösung mit einer höheren Konzentration an gelöstem Stoff verwendet, die die Lösungsmittelmoleküle aus der Probenlösung extrahiert; was zur Trennung von gelöstem Stoff und Lösungsmittel in der Probenlösung führt.

Endosmose und Exosmose

  • Endosmose ist die Bewegung von Wasser in die Zelle, die auftritt, wenn eine Zelle in eine Lösung mit einer höheren Wasserkonzentration als die Zelle gegeben wird.
  • Exosmose ist die Bewegung von Wasser aus der Zelle, die auftritt, wenn eine Zelle in eine Lösung mit einer höheren Konzentration an gelöstem Stoff als die Zelle gegeben wird.
  • Die Zellen schwellen nach der Endosmose an, während die Zellen nach der Exosmose schrumpfen.

Osmotische Lösungen (Tonizität)

  • Tonizität ist die Fähigkeit extrazellulärer Lösungen, durch Osmose die Bewegung von Wasser in und aus einer Zelle zu induzieren.
  • Die Tonizität einer Lösung wird durch die Konzentration von gelösten Stoffen und Lösungsmittelmolekülen in der Lösung bestimmt.

Aufgrund der Tonizität von Lösungen werden sie als hypotonische, hypertonische oder isotonische Lösungen bezeichnet.

Hypotonische Lösung

  • Wenn eine extrazelluläre Lösung eine geringere Konzentration an gelöstem Stoff aufweist als die innerhalb der Zelle, wird die Lösung als hypotonische Lösung bezeichnet.
  • Wenn eine Zelle in eine hypotonische Lösung gegeben wird, tritt die Bewegung von Wasser in die Zelle ein, was zu einer Endosmose führt.
  • Die Zelle wird in einem solchen Zustand anschwellen und sogar platzen.

Hypertonische Lösung

  • Wenn eine extrazelluläre Lösung eine höhere Konzentration an gelöstem Stoff aufweist als die innerhalb der Zelle, wird die Lösung als hypertone Lösung bezeichnet.
  • Wenn eine Zelle in eine hypertonische Lösung gegeben wird, tritt die Bewegung von Wasser aus der Zelle heraus, was zu einer Exosmose führt.
  • Die Zelle schrumpft und verliert die Fähigkeit, sich zu teilen und sogar zu funktionieren.

Isotonische Lösung

  • Wenn eine extrazelluläre Lösung die gleiche Konzentration an gelöstem Stoff wie die innerhalb der Zelle aufweist, wird die Lösung als isotonische Lösung bezeichnet.
  • Wenn eine Zelle in eine isotonische Lösung gegeben wird, findet keine Wasserbewegung durch die Zellmembran statt.
  • In diesem Fall wird die Größe der Zelle nicht beeinflusst, da keine Wasserbewegung stattfindet.

Osmotischer Druck

  • Der osmotische Druck ist der Druck, der durch einen hypotonen Druck ausgeübt wird, der zur Bewegung von Lösungsmittelmolekülen durch die semipermeable Membran führt.
  • Dies ist der Mindestdruck, der auf die Lösung ausgeübt werden sollte, um das Einströmen von reinem Lösungsmittel durch die semipermeable Membran zu verhindern.
  • Der osmotische Druck ist die treibende Kraft der Osmose und die Osmoserate nimmt mit steigendem osmotischen Druck zu.

Der osmotische Druck einer Lösung lässt sich wie folgt berechnen:

= MRT

Wobei ∏ der osmotische Druck ist

M ist die molare Konzentration des gelösten Stoffes

R ist die Gaskonstante

Und T ist die Temperatur des Systems.

Bedeutung der Osmose

Osmose hat im chemischen und biologischen System folgende Bedeutungen:

  1. Osmose ist für den Transport von Nährstoffen in die Zelle und von Abfallstoffen aus der Zelle verantwortlich.
  2. Osmose beeinflusst den Transport von Wasser aus dem Boden in die Wurzeln der Pflanzen, das dann über das Xylemgewebe zu verschiedenen Teilen der Zelle geleitet wird.
  3. Die innere Umgebung der Zelle in lebenden Organismen wird durch das Gleichgewicht zwischen Wasser und den intrazellulären Flüssigkeitsspiegeln stabilisiert.
  4. Osmose ist auch für die Aufrechterhaltung der Turgidität der Zelle verantwortlich.
  5. Osmose in Pflanzen verhindert das Austrocknen der Zellen durch Wasserverlust durch Transpiration.
  6. Die Diffusion von Wasser und anderen Zellflüssigkeiten von Zelle zu Zelle wird auch durch Osmose aufrechterhalten.
  7. Die Bewegung von Pflanzen und Pflanzenteilen wird durch die Turgidität der Zelle reguliert, die wiederum durch Osmose ausgeglichen wird.
  8. Osmose verhindert auch das Austrocknen von Früchten und Sporangien unter anderen Pflanzenstrukturen.
  9. Ein erhöhter osmotischer Druck unterstützt die Pflanzen in den Wüstengebieten gegen Dürre und ähnliche Verletzungen.
  10. Umkehrosmose und Vorwärtsosmose sind Trennverfahren zur Trinkwasseraufbereitung, Entsalzung, Abwasserreinigung, Konzentrierung flüssiger Lebensmittel wie Säfte, Herstellung von Ahornsirup, alkoholarmem Bier und Wasserstoffperoxid.

Beispiele für Osmose

In den tierischen Zellen

  • Osmose beeinflusst Form und Größe tierischer Zellen, da es in tierischen Zellen keine Zellwand gibt.
  • Die roten Blutkörperchen des Menschen werden stark vom osmotischen Druck des Blutes beeinflusst. Wenn das Blut zu verdünnt ist, schrumpfen die Erythrozyten, während sie anschwellen und sogar platzen, wenn das Blut konzentriert ist.
  • So ist bei Tieren die Konzentration von Körperflüssigkeiten; Blutplasma und Gewebeflüssigkeit, sollten in engen Grenzen gehalten werden.
  • Ein weiteres Beispiel für Osmose bei Tieren ist das Schrumpfen von Schnecken bei Salzeinwirkung.
  • Die Haut von Nacktschnecken ist eine semipermeable Membran, die bei Einwirkung von Salz Wasser aus den Zellen entzieht, was zum Schrumpfen der Zelle und damit des Tieres führt.

In den Pflanzenzellen

  • Das Wurzelsystem der Pflanzen nimmt durch Osmose Wasser aus dem Boden auf.
  • Die Zellen in der Wurzel der Pflanzen haben eine semipermeable Membran, die es dem Wasser im Boden ermöglicht, in die Wurzeln einzudringen und die Schließzellen zu beeinflussen.
  • Ein weiteres klassisches Beispiel für Osmose bei Pflanzen ist das Aufquellen und Schrumpfen von Kartoffelzellen, wenn Kartoffelscheiben in eine hypotonische bzw. hypertonische Lösung getaucht werden.

Osmose vs. Diffusion

VergleichsbasisDiffusionOsmose
DefinitionEinfache Diffusion ist eine Art des passiven Transports, bei der die Bewegung eines gelösten Stoffes auftritt, wenn seine elektrochemischen Potentiale auf den beiden Seiten einer durchlässigen Barriere unterschiedlich sind. Osmose ist eine Art des passiven Transports, die häufig in biologischen Systemen auftritt, bei der sich Lösungsmittelmoleküle durch eine semipermeable Membran zu einem Bereich hoher Konzentration gelöster Stoffe bewegen. 
Beschaffenheit der MembranDie Diffusion erfolgt durch jede durchlässige Membran.Osmose erfordert eine semipermeable Membran.
Art des ProzessesDiffusion ist ein passiver Prozess.Osmose ist auch ein passiver Prozess.
MittelDiffusion kann in allen Medien (fest, flüssig und gasförmig) erfolgen.Osmose tritt nur in einem flüssigen Medium auf.
Art der diffundierenden MoleküleDie sich bewegenden Moleküle können fest, flüssig oder gasförmig sein.Die bewegten Moleküle bei der Osmose sind immer flüssige Moleküle.
Geschwindigkeit des ProzessesDiffusion ist schneller als Osmose.Osmose ist langsamer als Diffusion.
Treibende KraftDie treibende Kraft der Diffusion ist der Konzentrationsgradient.Die treibende Kraft der Osmose ist der osmotische Druck.
BewegungsrichtungDie Diffusion erfolgt in alle Richtungen.Osmose findet in eine Richtung statt.
Kontrolle des ProzessesDie Diffusion kann durch keinen Druck gestoppt oder rückgängig gemacht werden.Die Osmose kann gestoppt und sogar rückgängig gemacht werden, indem ein Druck ausgeübt wird, der gleich oder höher als der osmotische Druck ist.
LösungsartenDie Diffusion kann zwischen ähnlichen oder unähnlichen Lösungen stattfindenOsmose findet nur zwischen zwei ähnlichen Lösungen statt.

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