Osmose in Lösungen

Erneuerbare Energiegewinnung ohne Sonne oder Wind!

Ein wichtiges Puzzlestück in der Energiewende findet sich an den Mündungen von Flüssen ins Meer. Hier, wo Süßwasser auf Salzwasser trifft, können sogenannte Osmosekraftwerke eine faszinierende und nachhaltige Energiequelle darstellen. Anders als solar- oder windabhängige Systeme sind Osmosekraftwerke in der Lage, Energie zu erzeugen, selbst wenn weder die Sonne scheint noch der Wind weht.

Osmose verstehen – Grundlagen

Osmose ist ein biologischer Prozess, bei dem meist Wasser durch eine selektiv permeable Membran diffundiert, um ein Konzentrationsgefälle auszugleichen. Je höher der Konzentrationsunterschied an gelösten Teilchen zwischen beiden Seiten der Membran ist, desto stärker ist der osmotische Druck. Eine selektiv permeable Membran, auch halb durchlässige Membran genannt, ermöglicht den Durchtritt bestimmter Moleküle und Ionen, während andere davon ausgeschlossen werden. Diese Membranen sind grundlegend für den Prozess der Osmose, der auf einem Konzentrationsgefälle basiert.

Diese Analogie zwischen gelösten Teilchen und einem Gas erlaubt es, die ideale Gasgleichung zu nutzen, um eine Formel für den osmotischen Druck abzuleiten.${^1}$ Die Formel des idealen Gases lautet:

$p \cdot V = n \cdot R \cdot T$ (Gleichung 1)

wobei $p$ der Druck, $V$ das Volumen, $n$ die Stoffmenge des Gases, $R$ die ideale Gaskonstante und $T$ die Temperatur ist. Analog dazu kann die grundlegende Formel für den osmotischen Druck aufgestellt werden, wobei für den osmotischen Druck das Symbol $\pi$ verwendet wird.

$\pi \cdot V = n \cdot R \cdot T$ (Gleichung 2)

Da wir beim osmotischen Druck eine Lösung betrachten, bietet es sich an, statt Volumen $V$ und Stoffmenge $n$ eine Konzentration $c$ zu verwenden. Mit dem Zusammenhang $c = \frac{ n }{ V }$ reicht es, Gleichung 2 durch $V$ zu teilen, und man erhält:

$\pi = c \cdot R \cdot T$ (Gleichung 3)

Diese Formel ermöglicht es fast, den osmotischen Druck in einer Lösung zu berechnen. Eine Kleinigkeit fehlt noch: Osmose ist nämlich eine kolligative Eigenschaft, was bedeutet, dass sie von der Anzahl der gelösten Teilchen in einer Lösung abhängt, unabhängig von der Art der Teilchen. Um dies zu berücksichtigen, ist der nach dem niederländischen Chemiker benannte Van’t-Hoff-Faktor entscheidend. Der Van’t-Hoff-Faktor berücksichtigt die genaue Anzahl der Teilchen in der Lösung, da er angibt, wie stark sich der gelöste Stoff in der Lösung dissoziiert. Kochsalz ($\ce{NaCl}$) beispielsweise dissoziiert in Lösung in zwei gelöste Ionen, $\ce{Na+}$ und $\ce{Cl-}$. Der Van’t-Hoff-Faktor beträgt zwei. Calciumchlorid ($\ce{CaCl2}$) hingegen dissoziiert in Lösung in drei gelöste Ionen, einem $\ce{Ca^{2+}}$ und zwei $\ce{Cl-}$. Der Van’t-Hoff-Faktor beträgt drei. Der Van’t-Hoff-Faktor $i$ wird wie folgt in der Formel zum osmotischen Druck berücksichtigt:

$\pi = c \cdot R \cdot T \cdot i$ (Gleichung 4)

Osmose im menschlichen Körper – Rechenbeispiel

Der Stofftransport und die Nährstoffversorgung über das Blut sind ausgezeichnete Beispiele für osmotische Prozesse im menschlichen Körper. Die selektiv permeable Membran der Zellwände ermöglicht den gezielten Durchtritt von Nährstoffen wie Glucose und Mineralstoffen in die Zellen, indem sie dem osmotischen Druck folgen. Dieser osmotische Druck entsteht aufgrund von Konzentrationsunterschieden zwischen den Nährstoffen im Blut und in den Zellen, wodurch ein kontinuierlicher, osmotisch gesteuerter Stofftransport gewährleistet wird.

Folglich spielt die Osmose auch bei Injektionen und intravenöser Ernährung eine entscheidende Rolle: Lösungen brauchen eine ähnliche Konzentration an gelösten Teilchen wie die Körperflüssigkeiten, was bedeutet, dass sie keinen osmotischen Druckunterschied erzeugen und somit optimal für den Stofftransport sind. Solche Lösungen nennt man isotonisch. Hypotonisch hingegen nennt man Lösungen, die eine geringere Konzentration haben, was zu einem Einströmen von Wasser in die Zellen führen kann. Hypertonische Lösungen weisen eine höhere Konzentration auf und neigen dazu, Wasser aus den Zellen zu ziehen. Eine isotonische Kochsalzlösung beinhaltet ungefähr 0,95 g $\ce{NaCl}$ in 100 ml Wasser, um den gleichen osmotischen Druck wie Wasser zu haben.${^1}$ Diesen berechnen wir wie folgt:

$\pi = c \cdot R \cdot T \cdot i = \frac{ n }{ V } \cdot R \cdot T \cdot i $

$= \frac{ \frac{ m(NaCl) }{ M(NaCl) } }{ V } \cdot R \cdot T \cdot i $

Für die Berechnung brauchen wir die molare Masse von $\ce{NaCl}$ ($58,44\,g/mol$), die Körpertemperatur ($37$ Grad Celsius bzw. $310\,K$; wir rechnen immer mit Kelvin), die Gaskonstante ($8,314\,\frac{kPa \cdot l }{ mol \cdot K}$) und den Van’t-Hoff-Faktor von $\ce{NaCl}$ ($2$).

$=\frac{ \frac{ 0,95\,g }{ 58,44\,g/mol } }{ 0,100\,l } \cdot 8.314\,\frac{kPa \cdot l }{ mol \cdot K } \cdot 310\,K \cdot 2 $

$= 838\,kPa = 8,38\,bar\,$

Anwendungen in der Technik – zurück zum Osmosekraftwerk

Diese natürliche Tendenz des Molekültransports wird in Osmosekraftwerken genutzt, um elektrische Energie zu erzeugen. Die Funktionsweise basiert auf dem Prinzip von Membranen, die für Wasser, nicht jedoch für Ionen durchlässig sind. An der Schnittstelle zwischen Süß- und Salzwasser entsteht ein osmotisches Druckgefälle, das Wasser durch die Membran strömen lässt. Dieser Wasserfluss wird dann durch eine Turbine geleitet, die an einen Generator angeschlossen ist und somit elektrische Energie erzeugt. Bedenkt man, wie hoch der osmotische Druck von Blut (entsprechend $0,95\,g$ Kochsalz in $100\,ml$ Wasser) ist, wird einem das Potenzial von Meerwasser (circa $3,5\,g$ Salz in $100\,ml$ Wasser) erst bewusst. Übt man hingegen von außen Druck aus, kann man den Prozess umkehren und Wasser entsalzen. Dies nennt man Umkehrosmose. Die Verbindung zwischen Osmose, Gasgleichung und Osmosekraftwerken zeigt, wie die Natur uns nicht nur erstaunliche Phänomene liefert, sondern auch Inspiration für innovative und nachhaltige Technologien. Osmosekraftwerke sind somit nicht nur ein weiteres Puzzlestück in der Energiewende, sondern auch ein faszinierendes Beispiel für die Nutzung biologischer Prinzipien zur Energieerzeugung.

Osmose in Lösungen – Zusammenfassung

Die Grundlage der Osmose ist eine selektiv permeable Membran, die nur bestimmte Moleküle passieren lässt. Ziel der Osmose ist es, für eine gleiche Teilchenkonzentration auf beiden Seiten zu sorgen, indem das Lösungsmittel (meist Wasser) durch die Membran hindurch diffundiert und die Lösung auf der Seite mit höherer Konzentration verdünnt wird. Die osmotischen Prozesse im menschlichen Körper, insbesondere bei der Nährstoffversorgung, betonen die Rolle isotonischer Lösungen. Trinken wir zum Beispiel Meerwasser, entziehen wir aufgrund des hohen Salzgehalts unserem Körper sogar Wasser. Technologisch werden Osmosekraftwerke als innovative Anwendungen zur Energiegewinnung genutzt, indem sie das natürliche osmotische Druckgefälle zwischen Süß- und Salzwasser ausnutzen. Die Umkehrosmose ist eine innovative Methode der Wasseraufbereitung, bei der Salzwasser durch eine selektiv permeable Membran gedrückt wird, um das Salz der Lösung aus der Lösung zu entfernen.

Häufig gestellte Fragen zum Thema Osmose in Lösungen