Osmose

Als Osmose (altgriechisch ὠσμός ōsmós „Eindringen“, „Stoß“, „Schub“, „Antrieb“) wird in den Naturwissenschaften der gerichtete Fluss von Teilchen durch eine selektiv- oder semipermeable Trennschicht bezeichnet. Häufig wird Osmose als die spontane Passage von Wasser oder eines anderen Lösungsmittels durch eine semipermeable Membran beschrieben, die für das Lösungsmittel, jedoch nicht die darin gelösten Stoffe durchlässig ist.

Osmose ist in der Natur von zentraler Bedeutung, insbesondere für die Regulation des Wasserhaushalts von Lebewesen und ihren Zellen. Als Trennverfahren findet sie Anwendung in Medizin und Verfahrenstechnik und sie wird in Osmosekraftwerken zur Energiegewinnung eingesetzt. Während die Osmose im Rahmen der statistischen Mechanik^[1] sowie der Nichtgleichgewichtsthermodynamik^[2] theoretisch erklärt wird, sind die physikalischen Abläufe auf mikroskopisch-molekularer Ebene auch zu Beginn des 21. Jahrhunderts noch Gegenstand von Gelehrtenstreit und aktiver Forschungstätigkeit.^[3][4][5]

Ein anschauliches Beispiel für die Wirkung der Osmose ist das Aufplatzen reifer Kirschen nach Benetzung mit Regenwasser. Das Wasser auf der Außenseite der Frucht enthält nur sehr wenig gelöste Teilchen (geringe Konzentration), hat also ein hohes chemisches Potential. Es dringt durch die äußere Haut in die Frucht ein, in der das Wasser als Lösungsmittel durch den hohen Zuckergehalt und andere gelöste Stoffe ein niedriges chemisches Potential aufweist. Durch den Wassereinstrom steigt der Druck im Inneren der Frucht und führt zum Aufreißen ihrer äußeren Haut. Diese ist neben anderen Stoffen für Wasser durchlässig, nicht jedoch für Zuckermoleküle; aufgrund dieser Eigenschaften wirkt sie als semipermeable Membran. Wassermoleküle können diese Membran prinzipiell in beide Richtungen passieren, werden jedoch im Inneren der Frucht stärker „festgehalten“. Die Wassermoleküle müssen dort mit den anderen gelösten Molekülen und Teilchen um den Zugang zur Membran konkurrieren, so dass weniger Wassermoleküle pro Zeitspanne nach außen dringen als umgekehrt.

Triebkraft der spontan ablaufenden Osmose ist der Unterschied zwischen den chemischen Potentialen eines oder mehrerer Stoffe in den durch eine Membran getrennten Phasen. Diese können aus flüssigen und gasförmigen Lösungen oder Reinstoffen bestehen. Teilchen (Atome, Moleküle oder Ionen) der Komponenten, für die die Membran durchlässig ist, diffundieren in Richtung ihres niedrigeren chemischen Potentials. Der aus dieser Bewegung resultierende Mischungsvorgang verringert die Gibbs-Energie (oder freie Enthalpie) des Gesamtsystems; daher läuft der Vorgang ohne Energiezufuhr ab (siehe auch exergone und endergone Reaktionen). Im Allgemeinen ist es ein Lösungsmittel, das aufgrund der unterschiedlichen Anzahl gelöster Teilchen in Richtung seines niedrigeren chemischen Potentials diffundiert.

In geschlossenen Systemen erfolgt durch Osmose ein Ausgleich der Potentialdifferenzen, die osmotische Bewegung hält solange an, bis das chemische Potential der diffundierenden Komponenten auf beiden Seiten der Membran ausgeglichen ist; zwischen beiden Phasen hat sich dann ein thermodynamisches Gleichgewicht eingestellt. Erfolgt der Stofffluss in ein geschlossenes Volumen, muss sich zwangsläufig der Druck in diesem Volumen (der Seite mit dem anfangs niedrigeren Potential) erhöhen; diese Differenz wird als osmotischer Druck bezeichnet. Der osmotische Druck ist eine kolligative Eigenschaft, da er von der Anzahl der gelösten Teilchen abhängt.

1. ↑ Siehe z. B. U. Krey, A. Owen: Basic Theoretical Physics – A Concise Introduction. Springer, Berlin 2007, ISBN 978-3-540-36804-5 (relevant für die Statistische Physik und insbesondere für physikalisch-chemische Aspekte ist besonders Teil 4).
2. ↑ O. Kedem, A. Katchalsky: Thermodynamic analysis of the permeability of biological membranes to non-electrolytes. In: Biochim. Biophys. Acta. 27 (1958), S. 229–246. doi:10.1016/0006-3002(58)90330-5
3. ↑ Frank G. Borg: arxiv:physics/0305011v1 What is Osmosis. arXiv.org, e-Print 2003.
4. ↑ David C. Guell, Howard Brenner: Physical Mechanism of Membrane Osmotic Phenomena. 1996 doi:10.1021/ie950787f
5. ↑ A. V. Raghunathan, N. R. Aluru: Molecular Understanding of Osmosis in Semipermeable Membranes. In: Physical Review Letters. Band 97, Nr. 2. American Physical Society, 10. Juli 2006, ISSN 1079-7114, S. 024501-(1–4), doi:10.1103/PhysRevLett.97.024501.