Osmotischer Druck von Zucker einfach erklärt

Der osmotische Druck ist ein lebenswichtiger physikalisch-chemischer Prozess, der in vielen Bereichen der Natur und Technik eine entscheidende Rolle spielt. Er ist besonders wichtig für den Flüssigkeitstransport und den Flüssigkeitshaushalt tierischer und pflanzlicher Zellen.

Was ist osmotischer Druck?

Osmotischer Druck entsteht zwischen zwei Flüssigkeiten, die durch eine semipermeable Membran voneinander getrennt sind. Der Druck geht von der Seite aus, die eine höhere Teilchenkonzentration aufweist. Osmotischer Druck ist die Kraft, die eine Lösung die semipermeable Membran beim Vorgang der Osmose passieren lässt. Der Fluss von Wasser durch die Membran wird angeregt, um die hohe Konzentration auf der anderen Seite der halbdurchlässigen Membran auszugleichen. Je höher der Konzentrationsgradient, desto höher der osmotische Druck bzw. die osmotische Kraft.

Der osmotische Druck ist ein physikalisches Phänomen, nicht ein chemisches. Die Größe oder Art der Teilchen spielt für den osmotischen Druck keine Rolle, einzig die Zahl der Teilchen (gelöste Atome und Ionen, aber auch Moleküle wie Zucker, Proteine, Ethanol) ist entscheidend.

Das Van-’t-Hoff-Gesetz

Das Van-’t-Hoff-Gesetz beschreibt den mathematischen Zusammenhang zwischen der vorliegenden Teilchenkonzentration, der Temperatur und dem osmotischen Druck einer Lösung (Flüssigkeit). Dabei steht p für den osmotischen Druck. Die Einheit des osmotischen Drucks ist Pascal.

Osmose und Diffusion

Osmose ist ein passiver Transportprozess. Es beschreibt die Diffusion einer Flüssigkeit oder eines Lösungsmittels durch eine semipermeable Membran. Durch diesen Prozess wird ein Konzentrationsausgleich erreicht. Dabei geht die Flüssigkeit immer dorthin, wo eine höhere Konzentration gelöster Teilchen vorliegt.

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Diffusion

Diffusion ist ein physikalischer Prozess zum Ausgleich von Konzentrationsunterschieden. Es bewirkt die gleichmäßige Verteilung und Durchmischung von Stoffen. Diffusion läuft überall dort ab, wo ein Konzentrationsgefälle zwischen zwei mischbaren Stoffen vorliegt. Das kann bei zwei Flüssigkeiten oder Gasen der Fall sein oder bei einem Feststoff und einer Flüssigkeit.

Bei der Diffusion handelt es sich um einen ungehinderten Konzentrationsausgleich. Dieser Vorgang erfolgt passiv und ohne Zufuhr von Energie. Dabei wandern Teilchen vom Ort der hohen Konzentration zum Ort der niedrigen Konzentration. Jedes Teilchen bewegt sich aufgrund seiner Eigenbewegung.

Die Diffusionsgeschwindigkeit wird durch folgende Faktoren beeinflusst:

Temperatur: Mit zunehmender Temperatur steigt die Eigenbewegung der Teilchen.
Konzentrationsunterschied: Je größer der Konzentrationsunterschied, desto höher ist die Diffusionsgeschwindigkeit.
Teilchengröße: Je größer ein Teilchen ist, desto größer ist auch der Widerstand, den das Teilchen durch das Lösungsmittel erfährt.
Medium: Je viskoser (zähflüssiger) ein Medium ist, desto langsamer bewegen sich die Teilchen.

Osmose als spezielle Form der Diffusion

Osmose ist die Diffusion durch eine halbdurchlässige (semipermeable) Membran. Der Konzentrationsausgleich erfolgt gerichtet und wird durch den osmotischen Druck angetrieben. Viele Membranen sind halbdurchlässig, man sagt auch semipermeabel. So können beispielsweise Wasser und kleine Moleküle durch eine Zellmembran diffundieren, jedoch nicht Proteine, Ionen und Zucker.

Beispiel zur Veranschaulichung der Osmose

Man stellt sich ein Gefäß vor, das in zwei Kammern aufgeteilt ist, die durch eine semipermeable Membran getrennt sind. In einer Kammer befindet sich reines Wasser, in der anderen eine Zuckerlösung. Da die Membran für den Zucker undurchlässig ist, kann er sich nicht ausbreiten. Das Wasser hingegen kann die Membran passieren und fließt daher von der Kammer mit der niedrigeren Zuckerkonzentration zur Kammer mit der höheren Zuckerkonzentration. Dieser Fluss führt dazu, dass der Wasserstand in der zuckerhaltigeren Kammer steigt und das Volumen zunimmt.

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Das Bestreben eines Lösungsmittels, den Konzentrationsunterschied zwischen beiden Seiten auszugleichen, bezeichnet man als osmotischen Druck. Je höher der Konzentrationsunterschied, desto höher ist auch dieser Druck.

Osmotischer Druck im Körper und in der Natur

Der osmotische Druck im Körper, als essenzieller Bestandteil des Osmosevorgangs, ist im Körper überlebenswichtig. Darüber kann der Mineralien- und Wasserhaushalt der Zellen reguliert werden.

Osmotischer Druck in Zellen

Alle lebenden Zellen sind von einer Membran umgeben, die semipermeabel ist. Der osmotische Druck sorgt dafür, dass Wasser gezielt in die Zelle einströmt oder aus ihr austritt - abhängig von der Konzentration der Stoffe im Zellinneren und der umgebenden Flüssigkeit. Dieser Mechanismus ist lebenswichtig für das Zellvolumen, den Nährstofftransport und die Abfallentsorgung. Eine gestörte Osmose kann zu Zellschrumpfung (Plasmolyse) oder Zellaufschwemmung bis hin zum Platzen (Lyse) führen.

Tierische Zellen sind nicht von einer Zellwand umgeben, sondern von einer Zellmembran und unterliegen einem gewissen osmotischen Druck. Schauen wir uns als Beispiel den osmotischen Druck im Blut an. Die roten Blutkörperchen liegen im Körper normalerweise als Scheiben vor. Wenn du sie allerdings mit reinem Wasser verdünnst, platzen sie. Das liegt daran, dass die Membran dem Druck des Wassereinstroms nicht standhalten kann.

Osmotischer Druck in Pflanzen

Pflanzen nutzen Osmose aktiv zur Wasseraufnahme aus dem Boden: Das in den Wurzelzellen enthaltene Zellplasma ist stärker konzentriert als das umgebende Bodenwasser - dadurch strömt Wasser über die Zellmembran in die Wurzel. Dieser Prozess trägt außerdem zur Aufrechterhaltung des Turgors bei, dem Zellinnendruck, der für Stabilität und Spannkraft in Pflanzenteilen sorgt. Der osmotische Druck in einer Pflanze wird auch als Turgor bezeichnet.

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Anders ist das bei den pflanzlichen Zellen, die eine stabile Zellwand besitzen. Sie halten dem osmotischen Druck, der bei der Wasseraufnahme entsteht, stand und brauchen ihn sogar.

Osmotischer Druck bei Tieren und Menschen

Im menschlichen Körper regulieren osmotische Prozesse z. B. den Flüssigkeitsaustausch zwischen Blut, Gewebe und Zellen. Besonders wichtig ist Osmose in den Nieren (Wasser-Rückgewinnung im Tubulussystem) sowie im Verdauungssystem, wo Wasser aus dem Darm in die Blutbahn übertritt.

Fische, die im Meerwasser leben, haben bestimmte Mechanismen entwickelt, um nicht auszutrocknen. Es klingt absurd, aber das salzige Meerwasser hat eine höhere Konzentration an gelösten Stoffen als die Zellen des Fischs. Demzufolge strömt laufend Wasser aufgrund des osmotischen Drucks aus den Zellen. Das Gegenteil passiert bei Süßwasserfischen. Ihre Körperzellen besitzen eine höhere Konzentration an gelösten Stoffen als das umgebende Wasser. Demzufolge nehmen ihre Zellen ständig Wasser auf.

Osmotischer Druck und Insulinsekretion

β-Zellen sitzen in den Langerhans-Inseln der Bauchspeichldrüse und produzieren dort Insulin. β-Zellen haben sensorische Eigenschaften: Sie messen den Glukosespiegel im Blut. Steigt er an, depolarisieren sie und schütten entsprechend viel Insulin aus, um den Blutzuckerspiegel wieder zu regulieren.

Ein Team um den Berliner Forscher Thomas J. Jentsch vom Leibniz-Forschungsinstitut für Molekulare Pharmakologie (FMP) und Max-Dellbrück-Centrum für Molekulare Medizin (MDC) konnte nun zeigen, dass sich mit Öffnung dieser Kanäle die Glukose-Sensitivität und die darauf folgende Insulinsekretion der β-Zellen erhöht.

β-Zellen nehmen Glukose aus dem Blut auf und verarbeiten diese. Dadurch entsteht ein osmotischer Gradient, Wasser strömt ein und die Zelle schwillt an. Der volumen-regulierte Anionenkanal VRAC hilft, die Beta-Zellen der Bauchspeichldrüse zu aktivieren. Sie bestätigen die Hypothese, dass die Kanäle den Druck ausgleichen, der sich bei der Aufnahme von Glukose im Zellinneren aufbaut. Die VRAC Kanäle öffnen sich, negativ geladene Chloridionen werden nun ausgeschleust und Wasser strömt aus der Zelle heraus wodurch der Druck wieder ausgeglichen wird. Dadurch wird das Zellinnere positiver. Diese Depolarisation aktiviert spannungsabhängige Ca2+-Kanäle und Ca2+-Ionen gelangen in die Zelle.

Osmotischer Druck im Alltag

Auch im Alltag lässt sich Osmose gut beobachten - oft ohne, dass man sich ihrer bewusst ist.

Gurken oder anderes Gemüse in Salzlake: Wird Gemüse in eine stark salzhaltige Lösung eingelegt, entzieht der osmotische Effekt den Zellen Wasser.
Haut im Badewasser: Nach langem Baden „schrumpeln“ die Fingerkuppen. Der Grund ist u. a. Osmose.
Wundversorgung: In der Medizin nutzt man osmotische Prinzipien z. B. bei der Wundversorgung.

Messung des osmotischen Drucks

Du kannst den osmotischen Druck nicht nur berechnen, sondern auch messen. Dafür verwendest du ein sogenanntes Osmometer. Im Labor werden die Werte mit einem Osmometer bestimmt. Als Messprinzip dient die Messung der Gefrierpunktserniedrigung (Kryoskopie), da die Anzahl der in einem Lösungsmittel gelösten Teilchen den Gefrierpunkt der Lösung erniedrigt (bzw. den Siedepunkt erhöht).

Der Botaniker Wilhelm Pfeffer hat eine Apparatur zur Messung des osmotischen Drucks in wässrigen Lösungen entwickelt. Die zu messende Substanz (z. B. Zuckerlösung) wird in ein Gefäß mit einer semipermeablen Membran gefüllt. Das Gefäß ist mit einem Stopfen verschlossen, in dem sich noch ein Steigrohr befindet. Jetzt kann das Wasser durch die semipermeable Membran in die Zuckerlösung diffundieren. Zum Schluss kannst du den osmotischen Druck am Steigrohr an der Stelle ablesen, bis zu der die Flüssigkeit gestiegen ist.

Osmolarität und Tonizität

Die Osmolarität gibt die Anzahl der osmotisch aktiven Teilchen pro Liter Lösung bzw. Untersuchungsmaterial an.

Ein weiteres Konzept, das mit der Osmose in Zusammenhang steht, ist die sogenannte Tonizität.

isotonisch: Die Konzentration der gelösten Teilchen ist auf beiden Seiten der Membran gleich.
hypertonisch: Die Konzentration der gelösten Teilchen ist auf der einen Seite (z. B. in der Zelle) der Membran niedriger als auf der anderen Seite (z. B. außerhalb der Zelle). Das heißt, dass ein osmotischer Druck außerhalb der Zelle entsteht.
hypotonisch: Die Konzentration der gelösten Teilchen ist auf der einen Seite (z. B. in der Zelle) höher als auf der anderen Seite der Membran (z. B. außerhalb der Zelle). Es entsteht also ein osmotischer Druck innerhalb der Zelle.

Osmose und Umkehrosmose

Obwohl die Begriffe „Osmose“ und „Umkehrosmose“ oft im selben Zusammenhang genannt werden, handelt es sich dabei um zwei grundsätzlich unterschiedliche Prozesse - mit jeweils eigener Funktionsweise und Zielsetzung.

Osmose

Osmose ist ein natürlicher, passiver Prozess, der in der Natur häufig vorkommt. Dabei wandert Wasser durch eine semipermeable Membran von einer Lösung mit niedriger Konzentration an gelösten Stoffen zu einer Lösung mit höherer Konzentration, bis ein Konzentrationsausgleich erreicht ist. Dieser Fluss erfolgt ohne äußere Energiezufuhr und dient biologisch dem Erhalt des inneren Gleichgewichts (Homöostase).

Umkehrosmose

Die Umkehrosmose (Reverse Osmosis) kehrt den natürlichen Prozess aktiv um: Auf die konzentriertere Seite der Membran wird Druck ausgeübt, der größer ist als der osmotische Druck. Dadurch wird das Wasser gezwungen, in umgekehrter Richtung durch die Membran zu fließen - also von der Seite mit hoher zu der mit niedriger Konzentration an gelösten Stoffen.

Hierbei spielt die semipermeable Membran eine Schlüsselrolle: Sie lässt ausschließlich Wassermoleküle hindurch, während gelöste Salze, Ionen, Mikroorganismen und Verunreinigungen zurückgehalten werden.

Die Umkehrosmose ist eines der effizientesten Verfahren zur Wasserreinigung und Entsalzung - eingesetzt z. B. bei der Trinkwasseraufbereitung, in der Industrie, Lebensmittelverarbeitung oder bei der Reinstwasserherstellung.

Anwendungen der Osmose in der Technik

Die Prinzipien der Osmose bilden die Grundlage für Membranfiltrationsverfahren, etwa in der Forschung, Labortechnik oder Medizintechnik (z. B. Dialyse). Auch neuere Verfahren wie die Forward Osmosis (Vorwärtsosmose) stützen sich auf osmotische Effekte, setzen jedoch gezielt Lösungen mit hohem osmotischen Druck ein, um Wasser aus kontaminierten Quellen zu entziehen - z. B. in der Weltraumforschung oder bei der Entsalzung.

Zwar ist Osmose selbst nicht direkt ein Trennverfahren zur Wasserreinigung - doch ohne sie wäre die Entwicklung von Membranverfahren, wie sie in der Wasseraufbereitung Anwendung finden, nicht möglich gewesen.

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