Diffusion und Osmose

Diffusion

Diffusion ist ein Transportphänomen, bei dem sich Teilchen von einem Bereich, in dem sie hoch konzentriert sind, in einen Bereich bewegen, in dem sie weniger konzentriert sind. Die Geschwindigkeit, mit der sich diese Teilchen bewegen, wird als Diffusionsrate bezeichnet und von den folgenden Faktoren beeinflusst:

• Temperatur: Wenn die Temperatur steigt, erhöht sich die Diffusionsrate.

Wenn die Temperatur steigt, nimmt die kinetische Energie der Teilchen zu, was bedeutet, dass sich die Teilchen schneller bewegen. Die Teilchen breiten sich also schneller in der Lösung aus und erhöhen die Diffusionsrate.

• Teilchengröße: Wenn die Teilchengröße zunimmt, sinkt die Diffusionsrate.

Größere Partikel sind in Lösungsmitteln weniger mobil, wodurch sich ihre Geschwindigkeit und damit die Diffusionsrate verringert.

• Masse des Teilchens: Wenn die Masse des Teilchens zunimmt, sinkt die Diffusionsrate.

Wie größere Teilchen sind auch schwerere Teilchen in einer Lösung weniger mobil und verringern die Diffusionsrate. Eine Lösung besteht aus dem gelösten Stoff und dem Medium, in dem dieser gelöst ist, dem Lösungsmittel. Im Falle von Zellen ist Wasser ihr Hauptbestandteil und das Hauptlösungsmittel, in dem Stoffe gelöst werden, um an Reaktionen teilnehmen zu können.

Osmose

Osmose ist eine besondere Form der Diffusion, bei der die Wasserkonzentrationen zweier Lösungen, die durch eine teilweise durchlässige Membran getrennt sind, ein Gleichgewicht erreichen. Dieses Gleichgewicht entsteht, wenn sich Wassermoleküle von der am höchsten konzentrierten Lösung in die am niedrigsten konzentrierte Lösung bewegen.

Bei Zellen kann Osmose auftreten, da die Zellmembranen semipermeabel sind. Die folgenden drei Situationen können auftreten:

• Hypotones Medium -> die Konzentration des gelösten Stoffes außerhalb der Zelle ist niedriger als in der Zelle. Durch Osmose kommt es zu einer Nettobewegung von Wassermolekülen von außerhalb der Zelle in das Innere der Zelle, wodurch diese anschwillt.

• Isotonisches Medium -> die gelösten Stoffe haben außerhalb der Zelle die gleiche Konzentration wie innerhalb der Zelle. Daher gibt es keine Nettobewegung von Wassermolekülen durch die Zellmembran in irgendeine Richtung.

• Hypertonisches Medium -> die Konzentration des gelösten Stoffes außerhalb der Zelle ist höher als innerhalb der Zelle. Dies führt zu einer Nettobewegung von Wassermolekülen aus dem Inneren der Zelle in das Medium außerhalb der Zelle, wodurch diese schrumpft.

Osmosephänomene müssen kontrolliert werden und sind im Falle von Blutzellen sehr wichtig. Wenn Erythrozyten von einer hypotonen Lösung umgeben sind, kommt es zu einer Nettobewegung von Wassermolekülen in die Zellen, wodurch diese anschwellen und schließlich platzen. Sind die Zellen dagegen von einer hypertonen Lösung umgeben, verlieren sie Wasser und schrumpfen.

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Wasserpotential

Das Wasserpotential (ψ) gibt die Tendenz des Wassers an, sich von einem Bereich in einen anderen zu bewegen, wie z. B. bei der Osmose. Es ist die Summe mehrerer Potentiale, einschließlich des Druckpotentials (ψ_p) und des Lösungspotentials (ψ_π).

ψ = ψ_p + ψ_π

• Druckpotential (ψ_p): Wenn der Druck steigt, steigt das Wasserpotential.

• Lösungspotential (ψ_π): Wenn die Konzentration der gelösten Stoffe steigt, sinkt das Wasserpotential.

Das Lösungspotential (ψ_π) kann mit der van't Hoff-Gleichung berechnet werden: ψ_π = i∙C∙R∙T

Dabei ist i der van 't Hoff-Faktor oder die Ionisationskonstante (Verhältnis der Teilchen in der Lösung zur gelösten Menge), C ist die molare Konzentration des gelösten Stoffes (mol/L), R ist die ideale Gaskonstante (0,00831 L∙bar/mol∙K), und T ist die absolute Temperatur (K). Beachten Sie, dass die Ionisationskonstante 1 für Moleküle ist, die beim Lösen nicht ionisieren.