12.11: Osmose und osmotischer Druck von Lösungen

Eine Reihe von natürlichen und synthetischen Materialien weisen eine selektive Permeation auf, was bedeutet, dass nur Moleküle oder Ionen einer bestimmten Größe, Form, Polarität, Ladung usw. in der Lage sind, das Material zu durchdringen (zu durchdringen). Biologische Zellmembranen sind ein elegantes Beispiel für selektive Permeation in der Natur, während Dialyseschläuche, die zur Entfernung von Stoffwechselabfällen aus dem Blut verwendet werden, ein vereinfachtes technologisches Beispiel sind. Unabhängig von der Art ihrer Herstellung werden diese Materialien im Allgemeinen als semipermeable Membranen bezeichnet.

Stellen Sie sich eine U-förmige Vorrichtung vor, in der Proben aus reinem Lösungsmittel und einer Lösung durch eine Membran getrennt sind, die nur Lösungsmittelmoleküle durchdringen dürfen. Lösungsmittelmoleküle diffundieren in beide Richtungen über die Membran. Da die Konzentration des Lösungsmittels im reinen Lösungsmittel größer ist als in der Lösung, diffundieren diese Moleküle schneller von der Lösungsmittelseite der Membran zur Lösungsseite als in umgekehrter Richtung. Das Ergebnis ist ein Nettotransfer von Lösungsmittelmolekülen aus dem reinen Lösungsmittel auf die Lösung. Der diffusionsgetriebene Transfer von Lösungsmittelmolekülen durch eine semipermeable Membran ist ein Prozess, der als Osmose bekannt ist.

Wenn die Osmose in einer der oben beschriebenen Vorrichtungen durchgeführt wird, nimmt das Volumen der Lösung zu, wenn sie durch die Ansammlung von Lösungsmittel verdünnt wird. Dies führt zu einem Anstieg des Füllstands der Lösung, wodurch ihr hydrostatischer Druck (aufgrund des Gewichts der Säule der Lösung im Röhrchen) erhöht wird und die Lösungsmittelmoleküle schneller zurück auf die reine Lösungsmittelseite übertragen werden. Wenn der Druck einen Wert erreicht, der eine umgekehrte Lösungsmitteltransferrate ergibt, die der Osmoserate entspricht, wird der Transfer von Lösungsmittel in großen Mengen eingestellt. Dieser Druck wird als osmotischer Druck (Π) der Lösung bezeichnet. Der osmotische Druck einer verdünnten Lösung hängt gemäß der Gleichung mit ihrer Molarität des gelösten Stoffes M und ihrer absoluten Temperatur T zusammen

wobei R die universelle Gaskonstante ist.

Wenn eine Lösung in eine solche Vorrichtung gegeben wird, kehrt das Anwenden eines Drucks, der größer als der osmotische Druck der Lösung ist, die Osmose um und drückt Lösungsmittelmoleküle aus der Lösung in das reine Lösungsmittel. Diese Technik der Umkehrosmose wird für die Entsalzung von Meerwasser in großem Maßstab und in kleinerem Maßstab zur Herstellung von hochreinem Leitungswasser zum Trinken eingesetzt.

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