Diffusion und Osmose (Vertiefungswissen)
Diffusion und Osmose sind bedeutende Vorgänge in Biologie und Chemie. Lerne, wie Teilchen durch Ausgleich der Konzentrationen (Diffusion) oder durch halbdurchlässige Membranen wandern (Osmose). Interessiert? All das und vieles mehr kannst du im weiteren Text entdecken!
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Grundlagen zum Thema Diffusion und Osmose (Vertiefungswissen)
Diffusion und Osmose – Biologie
Sowohl Diffusion als auch Osmose sind passive Transportvorgänge. Was die Osmose von der Diffusion unterscheidet und warum beide Prozesse – nicht nur in unserem Alltag, sondern in jedem Lebewesen und in der gesamten Natur – so bedeutend sind, klären wir im Folgenden.
Diffusion
Betrachten wir zunächst einmal die Diffusion. Im Unterricht wirst du die Diffusion nicht nur in der Biologie, sondern auch in der Physik und in der Chemie behandeln. Auch in unserem Alltag finden wir die Vorgänge der Diffusion: Wenn sich der Geruch von frisch gekochtem Essen verbreitet oder wenn wir uns einen Früchtetee machen und sich das heiße Wasser mit der Zeit rot verfärbt. Diffusion läuft überall dort ab, wo ein Konzentrationsgefälle zwischen zwei mischbaren Stoffen vorliegt. Das kann bei zwei Flüssigkeiten oder Gasen der Fall sein oder bei einem Feststoff und einer Flüssigkeit, z. B. dann, wenn man Salz in Wasser auflöst.
Was ist Diffusion? – Definition
Bei der Diffusion handelt es sich um einen ungehinderten Konzentrationsausgleich. Dieser Vorgang erfolgt passiv und ohne Zufuhr von Energie. Dabei wandern Teilchen vom Ort der hohen Konzentration zum Ort der niedrigen Konzentration. Jedes Teilchen bewegt sich aufgrund seiner Eigenbewegung. In der physikalischen Chemie wird diese als brownsche Molekularbewegung bezeichnet.
Schauen wir uns das Beispiel des Früchtetees einmal genauer an: Zu Beginn sind die roten Farbmoleküle im Teebeutel konzentriert, während im Wasser keine roten Farbmoleküle vorhanden sind. Nach einer Weile verteilen sich die roten Farbmoleküle des Tees in der gesamten Flüssigkeit, bis es keinen Konzentrationsunterschied mehr gibt.
Einflüsse auf die Diffusion
Wie wir gerade gelernt haben, geht es bei der Diffusion im Grunde um Bewegung. Und Bewegung steht immer im Zusammenhang mit Geschwindigkeit. Daher besitzt auch der Vorgang der Diffusion eine bestimmte Geschwindigkeit – die Diffusionsgeschwindigkeit. Je höher die Diffusionsgeschwindigkeit, desto schneller kommt es zum Konzentrationsausgleich. Es gibt verschiedene Faktoren, die die Diffusionsgeschwindigkeit beeinflussen:
Temperatur: Mit zunehmender Temperatur steigt die Eigenbewegung der Teilchen. Die Diffusionsgeschwindigkeit nimmt zu.
Strecke: Je kürzer die zu diffundierende Strecke, desto schneller erfolgt der Konzentrationsausgleich und desto höher ist auch die Diffusionsgeschwindigkeit.
Konzentrationsunterschied: Wie oben beschrieben dient die Diffusion dem Ausgleich von Konzentrationsunterschieden. Je größer der Konzentrationsunterschied, desto höher ist die Diffusionsgeschwindigkeit.
Das Verhältnis von dem Konzentrationsunterschied $\Delta c$ zu der Diffusionsstrecke $\Delta x$ bezeichnet man auch als Konzentrationsgradienten $\frac{\Delta c}{\Delta x}$. Du kannst dir das wie die Steigung an einem Berg vorstellen: Je steiler der Weg, desto schneller rollt der Stein herunter.Teilchengröße: Die Beschaffenheit der Teilchen hat einen großen Einfluss auf die Diffusionsgeschwindigkeit. Insbesondere die Größe des diffundierenden Teilchens spielt eine Rolle. Je größer ein Teilchen ist, desto größer ist auch der Widerstand, den das Teilchen durch das Lösungsmittel erfährt. Große Teilchen diffundieren also langsamer als kleine Teilchen.
Medium: Auch die Beschaffenheit des Mediums, in dem sich die Teilchen bewegen, beeinflusst die Diffusionsgeschwindigkeit. Je viskoser (zähflüssiger) ein Medium ist, desto langsamer bewegen sich die Teilchen. In der Folge sinkt die Diffusionsgeschwindigkeit.
Oft findet der Konzentrationsausgleich von Stoffen nicht ungehindert statt, sondern durch Membranen. Viele Membranen sind halbdurchlässig, man sagt auch semipermeabel. So können beispielsweise Wasser und kleine Moleküle durch eine Zellmembran diffundieren, jedoch nicht Proteine, Ionen und Zucker. Den Vorgang der Diffusion durch eine (halbdurchlässige) Membran bezeichnet man auch als Osmose.
Osmose
Um den Vorgang der Osmose besser zu verstehen, stellen wir uns folgendes Experiment vor: In einem Gefäß befindet sich eine Zuckerlösung, die durch eine semipermeable Membran von reinem Wasser getrennt ist. Die Zuckerteilchen können die Membran nicht passieren, da sie für solche Teilchen nicht durchlässig ist. Wenn die Zuckerteilchen nun nicht vom Ort der hohen Konzentration (Zuckerlösung) zum Ort der niedrigen Konzentration (Wasser) diffundieren können, wie kommt es dann zum Konzentrationsausgleich? In diesem Fall diffundiert Wasser durch die Membran in die Zuckerlösung. Mit anderen Worten: Wasser verdünnt die Zuckerlösung so weit, bis auf beiden Seiten der Kammer die Konzentration an gelösten Teilchen gleich ist. In der Folge steigt der Flüssigkeitsstand in der Kammer mit der Zuckerlösung an. Die dabei wirkende Kraft, die das Wasser in die Zuckerlösung zieht, bezeichnet man als osmotischen Druck. Der osmotische Druck ist stärker, je größer der Konzentrationsunterschied ist.
Was ist Osmose? – Definition
Die Erkenntnisse aus unserem Experiment kann man wie folgt zusammenfassen: Osmose ist die Diffusion durch eine halbdurchlässige (semipermeable) Membran. Der Konzentrationsausgleich erfolgt gerichtet und wird durch den osmotischen Druck angetrieben. Wie bei der Diffusion handelt es sich bei der Osmose um einen passiven Vorgang, der keinerlei Energiezufuhr von außen benötigt.
Osmose – Beispiele aus der Biologie
Die beiden folgenden Vorgänge sind Beispiele für die sogenannte Osmoregulation.
Osmose bei Pflanzen
Legt man die Epidermis der roten Küchenzwiebel in eine hoch konzentrierte Zuckerlösung, so wandert in Folge des Konzentrationsunterschieds von Zucker Wasser aus den Zellen hinaus und der Protoplast (alle Zellbestandteile bis auf die Zellwand) schrumpft. Dieser Vorgang heißt Plasmolyse. Der Vorgang ist jedoch reversibel (umkehrbar): Legt man die Zwiebelepidermis anschließend in destilliertes Wasser, so wandert Wasser in die Zellen hinein. Diesen Vorgang nennt man Deplasmolyse.
Die gleichen Vorgänge kannst du auch bei Pflanzen im Sommer beobachten. Leiden Pflanzen an Wassermangel, sehen sie welk aus (Plasmolyse). Wenn es regnet oder du die Pflanzen mit Wasser gießt, richten sie sich wieder auf (Deplasmolyse).
Osmose bei Tieren
Fische, die im Meerwasser leben, haben bestimmte Mechanismen entwickelt, um nicht auszutrocknen. Es klingt absurd, aber das salzige Meerwasser hat eine höhere Konzentration an gelösten Stoffen als die Zellen des Fischs. Demzufolge strömt laufend Wasser aufgrund des osmotischen Drucks aus den Zellen. Um dem entgegenzuwirken, trinken Fische große Mengen Meerwasser, das sie dann filtern können.
Das Gegenteil passiert bei Süßwasserfischen. Ihre Körperzellen besitzen eine höhere Konzentration an gelösten Stoffen als das umgebende Wasser. Demzufolge nehmen ihre Zellen ständig Wasser auf. Süßwasserfische trinken nicht, sondern geben stark verdünnten Urin ab.
Man spricht hier auch von der Osmoregulation der Fische.
Häufig gestellte Fragen zum Thema Diffusion und Osmose
Transkript Diffusion und Osmose (Vertiefungswissen)
“Dit Leben is keen Ponyhof. Dit wat wir hier lernen is richtig komplex, sach ick dir. Deswejn heißt dit Video ja ooch “Diffusion und Osmose” und nich "what I eat in a day". So ein Quatsch – viel komplexer ist das gar nicht! Wir erklären dir das ganze nochmal kurz anhand eines einfachen Experiments und vertiefen unser Wissen gemeinsam! Klingt gut? Dann bleib dran! Starten wir mit der Diffusion – das Prinzip kennst du bereits, oder? Kurz gesagt: Diffusion beschreibt einen passiven Konzentrationsausgleich von Teilchen, bei dem sich diese aufgrund ihrer Eigenbewegung ungehindert vom Ort höherer zum Ort niedrigerer Konzentration hin verteilen. Ok – klingt immer noch kompliziert?! Hier ein kleines Experiment beziehungsweise Alltagsphänomen, welches du ganz einfach nachmachen kannst. Platsch – der Teebeutel hängt im heißen Wasser. Wir stellen fest: zunächst befinden sich die Moleküle des Früchtetees konzentriert in einem begrenzten Raum – hier im Teebeutel. Nach kurzer Zeit verteilen sich die gelösten roten Moleküle aufgrund ihrer Eigenbewegung im Wasser bis hin zum Konzentrationsausgleich, also bis der Tee seine einheitlich rote Farbe bekommt. Dieser Vorgang der Ausbreitung von Teilchen wird DIFFUSION genannt. Ihre Eigenbewegung wird als brown'sche Molekularbewegung bezeichnet. So weit so gut. Es gibt dabei übrigens ein paar Faktoren, die Einfluss auf die Geschwindigkeit der Diffusion nehmen, die also ausschlaggebend dafür sind, wie schnell ein Konzentrationsausgleich erreicht wird. Ein Faktor ist die Temperatur: mit STEIGENDER Temperatur nimmt die Eigenbewegung der Teilchen zu und somit verteilen sich diese schneller im Raum – die Diffusionsgeschwindigkeit nimmt ebenfalls zu. Gleiches gilt für eine abnehmende TeilchenGRÖßE. Wichtige Faktoren sind außerdem Strecke und Konzentrationsunterschied. Je KÜRZER die zu diffundierende Strecke und je GRÖßER der Konzentrationsunterschied, desto HÖHER die Diffusionsgeschwindigkeit. Das Verhältnis von Konzentrationsunterschied zu Strecke wird als KonzentrationsGRADIENT bezeichnet. Auch das umgebende Medium der Teilchen hat einen Einfluss: je zähflüssiger das Medium, desto geringer ist die Diffusionsgeschwindigkeit. So würden die Teilchen beispielsweise langsamer durch Öl als durch Wasser diffundieren – logisch, oder? Im menschlichen Organismus finden wir das Diffusionsprinzip zum Beispiel beim Gasaustausch an den Lungenbläschen. Die Diffusion ist nur dort möglich, wo kurze Strecken zu überwinden sind, für größere Entfernungen wäre sie als Transportmechanismus zu langsam. Meistens findet ein Konzentrationsausgleich von Stoffen durch Membranen statt, durch die nicht alle Moleküle diffundieren können. Diese halbdurchlässigen Membranen nennt man SEMIPERMEABEL. Wasser und kleine Moleküle können durch die Membranen diffundieren , größere Moleküle wie Proteine, Zucker und so weiter dagegen nicht. Den Vorgang der Diffusion durch eine semipermeable Membran nennt man OSMOSE. Auch an dieser Stelle ein kleines Modellexperiment – so schwer is dit nämlich janich! In einem Gefäß befinden sich Wasser und Zuckerlösung, von einer semipermeablen Membran getrennt. Wie wir bereits wissen, können lediglich die WASSERmoleküle durch die Membran diffundieren. Wie kann nun also der Konzentrationsausgleich geschehen? Nun ja, da die Zuckerteilchen NICHT vom Ort höherer Konzentration (die Zuckerlösung) zum Ort niedrigerer Konzentration (das reine Wasser) hin diffundieren können, diffundieren WASSERmoleküle durch die Membran, bis die Konzentration der gelösten Teilchen auf beiden Seiten gleich ist. In der rechten Kammer befindet sich in der Folge nun mehr Flüssigkeit. Die treibende Kraft ist der osmotische Druck, welcher mit höherem Konzentrationsunterschied steigt. Lass uns unser Wissen gemeinsam vertiefen und ein Beispiel aus der Pflanzenwelt heranziehen. Betrachtet man Epidermiszellen einer roten Küchenzwiebel unter einem Mikroskop, so kann man die rot gefärbten Vakuolen gut erkennen. Wenn man nun eine konzentrierte Salzlösung zu den Zellen gibt, kann man beobachten, dass das Volumen der Vakuolen abnimmt und sich das Zellplasma von den Zellwänden löst. Wie ist das zu erklären? Die gelösten Salzteilchen können zwar die Zellwände von außen nach innen passieren, nicht aber durch die semipermeablen Zellmembranen diffundieren. Wie bei unserem Modellexperiment zur Osmose eben, diffundieren also auch hier die Wasserteilchen aus Vakuole und Zellplasma durch die Membranen nach außen, wodurch das Volumen der Vakuole abnimmt. Dieser osmotische Vorgang wird als PLASMOLYSE bezeichnet. Der Vorgang ist umkehrbar: legt man die Zwiebelzellen anschließend in Wasser mit einer geringeren Salzkonzentration als im Zellinneren, findet der umgekehrte Prozess statt – Wasserteilchen diffundieren wieder in die Zelle hinein. Man spricht von der sogenannten DEplasmolyse. Puh, viele Fachbegriffe! Fassen wir noch einmal zusammen. Wir haben gelernt, dass Temperatur, Teilchengröße, Strecke, Konzentrationsunterschied und umgebendes Medium Faktoren sind, die die Diffusionsgeschwindigkeit beeinflussen. Die Diffusion durch eine semipermeable Membran nennt man Osmose, diesen Vorgang haben wir uns anhand eines einfachen Modellexperiments angesehen. Und wir kennen nun Vorgänge der Osmoregulation – die Plasmolyse und Deplasmolyse. Na siehste – und wenn der Grinsemolch das hinbekommt , schaffst du das schon lange!
Diffusion und Osmose (Vertiefungswissen) Übung
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Gib an, was unter „Diffusion“ zu verstehen ist.
TippsDie Moleküle aus dem Tee verteilen sich nach und nach im Wasser. Dies ist ein Beispiel für Diffusion.
Zwei der Begriffe bleiben übrig.
LösungDiffusion ist ein passiver Konzentrationsausgleich von Teilchen, bei dem sich diese aufgrund ihrer Eigenbewegung ungehindert vom Ort höherer zum Ort niedrigerer Konzentration hin verteilen.
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Stelle das Prinzip der Osmose dar.
TippsDrei der Bilder stellen Situationen dar, in denen Osmose stattfindet.
Auf einem der Bilder ist eine Diffusion dargestellt.
LösungBei einer Osmose handelt es sich um eine Diffusion durch eine semipermeable Membran. Drei der Bilder zeigen Situationen, in denen Osmose stattfindet: ein Modellexperiment, eine Pflanzenzelle umgeben von einer Salzlösung und eine Kirsche umgeben von Regenwasser.
Auf dem Bild mit der Teetasse ist eine Diffusion abgebildet. Da der Teebeutel in diesem Fall sowohl Wassermoleküle als auch die Moleküle aus dem Tee hindurchlässt, handelt es sich nicht um eine semipermeable Membran. Folglich liegt hier keine Osmose vor.
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Gib an, wie die Faktoren die Diffusionsgeschwindigkeit beeinflussen.
TippsZwei der Faktoren erhöhen die Diffusionsgeschwindigkeit.
Einen Teebeutel gibst du normalerweise in heißes Wasser.
LösungDie Diffusionsgeschwindigkeit wird von mehreren Faktoren beeinflusst:
- Je höher die Temperatur ist, desto höher ist die Diffusionsgeschwindigkeit.
- Je kleiner die Teilchengröße ist, desto höher ist die Diffusionsgeschwindigkeit.
- Je kürzer die zu diffundierende Strecke ist, desto höher ist die Diffusionsgeschwindigkeit.
- Je höher der Konzentrationsunterschied ist, desto höher ist die Diffusionsgeschwindigkeit.
- Je zähflüssiger das Medium ist, desto geringer ist die Diffusionsgeschwindigkeit.
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Beschreibe den Vorgang der Plasmolyse.
TippsPflanzenzellen sind von außen von einer Zellwand umschlossen.
Den umgekehrten Vorgang der Plasmolyse nennt man Deplasmolyse.
LösungGibt man Zwiebelzellen in eine stark konzentrierte Salzlösung, kann man beobachten, dass das Volumen der Vakuole abnimmt.
Die gelösten Salzteilchen können zwar die Zellwand von außen nach innen passieren, nicht aber die semipermeable Membran. Um den Konzentrationsunterschied auszugleichen, diffundieren deshalb Wassermoleküle aus der Vakuole nach außen. So nimmt das Volumen der Vakuole ab.
Diesen osmotischen Vorgang nennt man Plasmolyse. Um ihn umzukehren, kann man die Zwiebelzellen in Wasser legen.
Daraufhin diffundieren Wassermoleküle wieder in die Zwiebelzelle hinein. Man spricht dann von Deplasmolyse. -
Gib die Bedeutung der Begriffe rund um das Thema Membranen an.
TippsZellen besitzen eine Zellmembran.
Von einer selektiven Wahrnehmung spricht man, wenn bei der Wahrnehmung nur bestimmte Dinge aus der Umwelt aufgenommen werden.
LösungSemipermeable bzw. selektiv permeable Membranen lassen nur bestimmte Moleküle hindurchdiffundieren:
- semi- = teilweise
- selektiv = auswählend
- permeabel = durchlässig
- Membran = eine dünne Schicht/Haut
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Berechne unterschiedliche Konzentrationsgradienten.
TippsDer Konzentrationsgradient bezeichnet das Verhältnis von Konzentrationsunterschied zu Strecke.
Um den Konzentrationsgradienten zu berechnen, musst du zunächst die beiden Konzentrationen voneinander abziehen, um den Konzentrationsunterschied zu erhalten. Diesen teilst du dann durch die Diffusionsstrecke.
Nimm dir Zettel und Stift und notiere die einzelnen Ergebnisse, bevor du sie sortierst.
Rechenbeispiel:
Konzentration in Lösung A: 10 g Zucker in 100 ml Wasser
Konzentration in Lösung B: 2 g Zucker in 100 ml Wasser
Diffusionsstrecke: 2 nm8 g : 2 nm = 4 g/nm
LösungUm den Konzentrationsgradienten zu berechnen, musst du zunächst die beiden Konzentrationen voneinander abziehen, um den Konzentrationsunterschied zu erhalten. Diesen teilst du dann durch die Diffusionsstrecke.
Bei den einzelnen Lösungen erhältst du so die folgenden Ergebnisse:
Konzentration in Lösung A: 5 g Zucker in 100 ml Wasser
Konzentration in Lösung B: 0,5 g Zucker in 100 ml Wasser
Diffusionsstrecke: 2 nm4,5 g : 2 nm = 2,25 g/nm
Konzentration in Lösung A: 5 g Zucker in 100 ml Wasser
Konzentration in Lösung B: 1 g Zucker in 100 ml Wasser
Diffusionsstrecke: 4 nm4 g : 4 nm = 1 g/nm
Konzentration in Lösung A: 3 g Zucker in 100 ml Wasser
Konzentration in Lösung B: 0,5 g Zucker in 100 ml Wasser
Diffusionsstrecke: 10 nm2,5 g : 10 nm = 0,25 g/nm
Konzentration in Lösung A: 5 g Zucker in 100 ml Wasser
Konzentration in Lösung B: 4,5 g Zucker in 100 ml Wasser
Diffusionsstrecke: 3 nm0,5 g : 3 nm = 0,17 g/nm
Diffusion und Osmose (Basiswissen)
Diffusion und Osmose (Vertiefungswissen)
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super gut erklärt, hab alles sofort verstanden!