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Physik · Wärmelehre
Osmose und osmotischer Druck, das Van-'t-Hoff-Gesetz mit dem i-Faktor, das U-Rohr und die Tonizität mit ihren Folgen für Blutzellen und Pflanzenzellen.
Wasser folgt den Teilchen: Es strömt durch eine semipermeable Membran dorthin, wo mehr gelöste Teilchen sind. Der osmotische Druck misst diesen Sog und hängt nur von der Teilchenzahl ab.
Osmose ist die Diffusion des Lösungsmittels (Wasser) durch eine semipermeable Membran, die die gelösten Teilchen (Solute) nicht durchlässt. Netto wandert Wasser zur höheren Teilchenkonzentration und verdünnt sie. Ohne eine solche Membran gibt es keine Osmose.
Alltag: Zucker auf Erdbeeren zieht ihren Saft heraus, weil außen mehr Teilchen gelöst sind als in den Zellen. → Ausführlich in: Stofftransport (Diffusion, aktiver Transport)
Der osmotische Druck Π ist der Gegendruck, der den Wassereinstrom gerade stoppt. Er ist kolligativ: Es zählt nur die Anzahl der gelösten Teilchen, nicht ihre Art oder Größe. Du kannst ihn dir als den Gasdruck vorstellen, den die gelösten Teilchen ausüben würden.
Π = i · c · R · Tc in mol/m³ gibt Pa; T in K; i = Teilchen pro Formeleinheit
Der Druck steigt mit der Konzentration c und der absoluten Temperatur T. Der Faktor i zählt, in wie viele Teilchen ein gelöster Stoff zerfällt:
| Stoff |
|---|
| Teilchen in Lösung |
|---|
| i |
|---|
| Glukose | bleibt ganz | 1 |
| NaCl | Na⁺ und Cl⁻ | 2 |
| CaCl₂ | Ca²⁺ und 2 Cl⁻ | 3 |
Beispiel bei 310 K: 0,15 mol/L NaCl geben 300 mol/m³ Teilchen und Π ≈ 7,7 bar. 0,15 mol/L Glukose geben nur 150 mol/m³ und Π ≈ 3,9 bar. Gleiche Molarität, aber halber Druck.
Im U-Rohr trennt die Membran eine Lösung von reinem Wasser. Die Lösung steigt, bis der hydrostatische Druck ρ·g·Δh der Säule gleich Π ist.
Die Tonizität vergleicht eine Lösung mit dem Zellinneren, also mit etwa 290–300 mosmol/L oder rund 7,5 bar. Wasser strömt dorthin, wo mehr Teilchen sind, die die Membran nicht passieren.
| Außenlösung | Wasserfluss | Rotes Blutkörperchen |
|---|---|---|
| isoton (0,9 % NaCl) | netto keiner | bleibt gleich |
| hypoton (destilliertes Wasser) | in die Zelle | schwillt, platzt (Hämolyse) |
| hyperton (3 % NaCl) | aus der Zelle | schrumpft |
Eine Pflanzenzelle platzt in reinem Wasser nicht: Die Zellwand hält gegen und die Zelle wird prall (Turgor). In hypertoner Lösung löst sich die Membran von der Wand ab (Plasmolyse).
Für die Tonizität zählen nur Teilchen, die die Zellmembran nicht passieren. Darum ist 0,9 % NaCl isoton. Eine 5-%-Glukoselösung hat etwa 278 mosmol/L und ist annähernd iso-osmolar, doch die Zellen nehmen Glukose auf.
Klinisch nutzt man das gezielt: Eine hypertone Infusion (etwa Mannitol) zieht Wasser aus dem Gewebe ins Blut und senkt so den Hirndruck bei einem Hirnödem.
Die Zellwand hält dem Wassereinstrom einen Gegendruck entgegen. Dem Erythrozyten fehlt sie, er schwillt, bis die Membran reißt.
Beschriftbare Abbildung
Deine AufgabeIn welche Richtung strömt Wasser – im U-Rohr und bei jeder der drei Zellen? Achte darauf, wo mehr Teilchen gelöst sind.
Tippe auf eine Beschriftung in der Abbildung, um ihre Erklärung zu lesen.
