Osmose

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Osmose

1

Physikalische Chemie für Studierende der Biologie / Humanbiologie

Versuchsstation 3

Osmotischer Druck

Aufgabe:

Mit drei Saccharose - Lösungen bekannter Konzentration und der Lösung einer

Molekülverbindung mit unbekannter Konzentration, die über eine semipermeable Membran mit

reinem Wasser in Verbindung gebracht werden, ist die Höhe der sich aufbauenden

Flüssigkeitssäule in Abhängigkeit von der Zeit zu messen. Zu ermitteln ist die Konzentration

der unbekannten Substanz und deren Messunsicherheit.

Theoretische Grundlagen:

Ursache für das Einströmen des reinen Lösungsmittels (hier: Wasser) durch die semipermeable

Membran ist der Unterschied zwischen den chemischen Potentialen des reinen Lösungsmittels

und des in der Lösung „verdünnten“ Lösungsmittels, denn ein Stoff strömt vom höheren zum

niederen chemischen Potential.

Da dieser Prozess erst beendet wird, wenn die Lösung unter dem osmotischen

Gleichgewichtsdruck

Π= c

B

*RT

steht, wird das durch die Osmose pro Zeiteinheit einfließende Lösungsmittelvolumen von der

Druckdifferenz zwischen dem osmotischen Gleichgewichtsdruck und dem aktuellen

hydrostatischen Druck der Lösung im Steigrohr (der „Manometerkapillare“ ) bestimmt:


v HO

2

∆t

( gh)

= const Π−ρ

(Der Proportionalitätsfaktor „const“ ist eine Eigenschaft der verwendeten Membran und hängt

von deren hydraulischer Permeabilität und Querschnittsfläche ab.)

Solange der hydrostatische Druck in der Manometerkapillare gegenüber dem osmotischen

Gleichgewichtsdruck vernachlässigt werden kann, erhält man:

∆v

HO

2

∆t

≈const

Π = const c RT

B

Da das einströmende Lösungsmittel ein adäquates Lösungsvolumen verdrängt, ergibt sich in

einer Manometerkapillare mit dem Radius r folgender Zusammenhang zwischen der Steighöhe h

und dem eingeflossenen Lösungsmittelvolumen ∆v H2O :

∆vH2O

h = π

2

r


2

Beginnt man die Zeitmessung bei 0, so erhält man:

∆v

HO

t

h ≈

2

2

πrh

= ≈ const c RT

t

const RT

πr

2

c t

B

B

Werden alle Größen, die während der Messungen nicht verändert werden, zu einem Faktor k 0

zusammengefasst, ergibt sich:

h

≈ k c t

o

B

Nach dieser Gleichung sollte die Auftragung der Steighöhe h gegen die Zeit bei einer

Konzentration c B eine Gerade mit dem Anstieg k 0 c B ergeben (Primärauftragung).

Trägt man diese Anstiege aus den Primärauftragungen für mehrere Messreihen mit bekannter

Konzentration (c 1 ,c 2 ,c 3 ) gegen die bekannte Konzentrationen auf, sollte sich wiederum eine

Gerade ergeben (Sekundärauftragung).

Bestimmt man nun den Anstieg k 0 c u für eine unbekannte Konzentration c u im Diagramm

Steighöhe gegen die Zeit, so kann man aus der Sekundärauftragung die unbekannte

Konzentration ermitteln:


3

Versuchsdurchführung

Für die Versuchsdurchführung grundsätzlich nur destilliertes Wasser benutzen, das aus der zu dieser

Station gehörenden Spritzflasche entnommen wird! Diese Spritzflasche ist ggf. aus dem zu dieser Station

gehörenden Behälter für destilliertes Wasser aufzufüllen.

Nur für Reinigungszwecke wird destilliertes . Wasser aus der Leitung benutzt.

Vorbereitung der Lösungen

Falls noch nicht geschehen (bitte bei den Praktikumsmitarbeitern erfragen), den 500ml-Maßkolben, der

die Saccharosestammlösung enthält, mit dest. Wasser (“Osmosewasser“ aus der Spritzflasche oder dem

Vorratsbehälter!) auffüllen und gut vermischen.

Ausgehend von dieser Stammlösung durch Verdünnung in Maßkolben jeweils 250 ml einer

0,5 M und 0,1M Lösung herstellen. Dazu das erforderliche Stammlösungsvolumen (selbst berechnen) mit

den Vollpipetten in den jeweiligen Maßkolben einbringen, mit dest. Wasser auffüllen und gut

vermischen!

Falls noch nicht geschehen (bitte bei den Praktikumsmitarbeitern erfragen), den Maßkolben mit der

unbekannten Lösung mit dest. Wasser auffüllen und gut vermischen.

Durchführung der Messungen:

1. Die „Manometer-Kapillaren“ auf Flüssigkeitsreste untersuchen und ggf. vorsichtig mit Druckluft

ausblasen.

2. Eine der mit Wasser gefüllten Osmoseapparaturen aus der Halterung nehmen und über dem Spülbecken

entleeren

3. Die Kristallisierschale entleeren und mit frischem dest. Wasser füllen (aus dem Behälter für den Osmose-

Versuch).

4. Die Osmosezelle dreimal mit wenig 0,1 M Zuckerlösung auswaschen

5. Anschließend die 0,1 M Zuckerlösung über den senkrecht nach oben gerichteten Stutzen vorsichtig

einfüllen(möglichst am Stutzenrand einlaufen lassen, um Schaumbildung zu vermeiden!) Die zu ca. ¾

gefüllte Osmoseapparatur etwas geneigt in die Kristallisierschale eintauchen, so dass die Luft unter der

Membran entweichten kann.

6. Die Kristallisierschale anheben, so dass die Membranunterseite sichtbar wird. Falls hier Luftblasen

anhaften sollten, diese durch Schiefstellen der Osmosezelle und vorsichtige Rührbewegungen entfernen. In

hartnäckigen Fällen die Osmosezelle aus der Kristallisierschale entnehmen und das Einsetzen wiederholen.

7. Die Osmosezelle bis zum Stutzenrand mit Zuckerlösung füllen.

8. Die Verschraubung mit der eingelegten Gummidichtung (weiße Schicht nach außen!) über die

Manometer-Kapillare schieben, so dass das Kapillarende beim Einsetzen zwar deutlich in die Osmosezelle

ragt, aber noch ca. 1cm Abstand zur Membran behält.

9. Die Kapillare in die in das Stativ eingespannte Skale einlegen, Skale am Stativ absenken und so zur

Osmosezelle ausrichten, dass die Kapillare bei aufliegender Verschraubung spannungsfrei angezogen

werden kann.

10. Verschraubung anziehen, bis Drehungen der Kapillare in der Dichtung schwergängig werden. Dabei soll

der Flüssigkeitsmeniskus bis über den unteren Rand der Messskala steigen. Anschließend die Kapillare

vorsichtig so weit hochziehen, dass der Flüssigkeitsmeniskus mit dem Skalenanfang übereinstimmt.

11. Zeitmessung beginnen. Im Verlaufe des Versuches wird die Temperatur im Wasser des Becherglases

gemessen und notiert.

Nach Beginn des ersten Experimentes wird in analoger Weise die zweite Messanordnung mit der 0,5 M

Zuckerlösung beschickt, und die Messung entsprechend durchgeführt. Nach Beendigung des ersten

Experiments wird in dieser Apparatur die Messung der 1M Zuckerlösung durchgeführt.

Abschließend erfolgt mit der nächsten freien Apparatur die Messung der unbekannten Lösung.

Beim Wechsel der Zuckerlösungen nicht vergessen, alle Teile mit Wasser gründlich zu spülen und

abzutrocknen. Die Kapillare mit Druckluft ausblasen.

Bei der 0,1 M Zuckerlösung bzw. der Lösung der unbekannten Substanz wird die Höhe des

Flüssigkeitsmeniskus nach folgenden Zeiten abgelesen:

0,1 M Lösung: 5,10,15, 20,30,40,50 min


4

unbekannte Lösung: 5,10,15,20,25,30, 45 min

Bei den höheren Konzentrationen (0,5M, 1M) steigt die Flüssigkeitssäule schneller. Hier werden deshalb

die Zeiten notiert, nach denen die Flüssigkeitssäule um 1cm gestiegen ist, und zwar bis eine Steighöhe

von 7 cm erreicht wurde.

Am Schluss der Versuche werden alle Kammern entleert, mit Wasser gespült und wie oben beschrieben

mit reinem Wasser gefüllt. Es ist darauf zu achten, dass keine Luftblasen an der Membran haften!

Versuchsaufbau

LITERATUR: BASISWISSEN PHYSIKALISCHE CHEMIE Kap. 2.3.7

Vorbereitungsfragen:

Wie geht man mit volumetrischen Geräten um?

Wie viel ml einer 1M Lösung benötigt man, um daraus durch Verdünnung mit dem reinen Lösungsmittel

genau 250 ml einer 0,5 M bzw. 250ml einer 0,1M Lösung herzustellen?

Berechnen Sie den osmotischen Gleichgewichtsdruck für die 0,1M, die 0,5 M und die 1M-Zuckerlösung

bei 25 °C.

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