Osmose

Gase, Flüssigkeiten, Feste Stoffe

Inhalt

• Osmose

• Die Pfeffersche Zelle

• Van’t Hoffsches Gesetz

Diffusion

Gleichverteilung beider Komponenten maximiert die Entropie

Die treibende Kraft für die Diffusion ist die Wärmebewegung

Diffusion bei der Osmose nur in einer Richtung

1 1/sDer Teilchenfluss durch die Fläche A ist proportional zum Konzentrationsgradienten

1 1/m Konzentrationsgradient

D1

1/(m·s)Diffusionskonstante

dx

dnAD

dt

dN

dx

dn

Osmose

Lösungsmittel

Lösung

Kapillare

Semipermeable Membran

Bei dünner Kapillare bleibt die Konzentration während des Anstiegs des osmotischen Drucks, d. h. der Höhe der Säule, praktisch konstant

Die Pfeffersche Zelle

Lösungsmittel

Lösung

Kapillare

Semipermeable Membran

Wilhelm Pfeffer (9.3.1845-31.1.1920), ursprünglich Apotheker, lehrte als Professor für Botanik in Bonn, Basel und 1878-1887 in Tübingen. Er führte, neben wesentlichen pflanzenphysiologischen Forschungen, grundlegende osmotische Untersuchungen durch.

Formel Anmerkung

Van’t Hoffsches Gesetz

Osmotischer Druck

Anzahl der im Volumen V der Lösung befindlichen Mol des gelösten Stoffes

Volumen der Lösung, allgemeine Gaskonstante und Temperatur in K

Van’t Hoffsches Gesetz

TRV Stoff

Stoff

TRV , ,

Steighöhe und osmotischer Druck in der Pfefferschen Zelle

hgLsg

hgLsg

Formel Anmerkung

Osmotischer Druck in der Pfefferschen Zelle

Steighöhe in der Kapillare

Spezifisches Gewicht der Lösung

Versuch: Die Pfeffersche Zelle

• Wasser diffundiert osmotisch durch eine semipermeable Wand in eine Zuckerlösung, – Der Anstieg der Lösungssäule in der Kapillare

zeigt den steigenden Druck • Der hydrostatische Druck steigt, trotz

nahezu konstanten Gesamt-Volumens der Lösung (Hydrostatisches Paradoxon)

Umkehrosmose zur Wassergewinnung in kleinen Schiffen

Umkehrosmose• Anwendung: Salzwasser wird unter

Druck bis zu 60 bar durch eine halbdurchlässige (semipermeable) Membran gepresst und dabei fast zu 100 Prozent entsalzt– Anlagen für Yachten mit 12-Volt-

Bordspannung erzeugen etwa 20 Liter Trinkwasser je Stunde

Energieverbrauch je Tonne Frischwasser:• Umkehrosmose ca. 2 kWh• Mehrstufige Verdampfer-

Entsalzungsanlage ca. 100 kWh • Verdampfung ohne Wärme-

Rückgewinnung ca. 600 kWh

Groß Anlagen zur Meerwasser Entsalzung

• Quelle: http://www.hydrology.uni-kiel.de/lehre/seminar/ws04-05/frerk_meerwasserentsalzung.pdf

Mehrstufige Meerwasserentsalzung

• Eine mehrstufige Verdampfungsanlage benötigt - durch Nutzung der „Abwärme“ der bei höherer Temperatur arbeitenden Stufen- nur etwa 120 kWh pro Tonne entsalztes Wasser

Quelle: www.hydrology.uni-kiel.de/lehre/seminar/ws04-05/frerk_meerwasserentsalzung.pdf

Erwärmung des Wassers auf 115° CDie unterschiedlichen Drucke werden mit Kompressoren

eingestellt

„Süßwasser“

Das einfließende Meerwasser kühlt den

Wärmetauscher, an dem der „Meer“-Wasserdampf

kondensiert

Das in den Wärmetauschern

vorgewärmte Meerwasser wird auf

115°C erhitzt

Das überhitzte Meerwasser verdampft in

der ersten Stufe unter Überduck

Zusammenfassung

• Osmose: Diffusion von Teilchen des Lösungsmittels zur Lösung, dabei baut sich der osmotische Druck auf– π·V = ν·R·T [J] van’t Hoffsche Gleichung– π [Pa] osmotischer Druck– V [m3] Volumen der Lösung– ν [mol] Anzahl der im Volumen V der Lösung

befindlichen Mol des gelösten Stoffes– R [J/(mol·K)] allgemeine Gaskonstante– T [K] Temperatur in K

• Umkehrosmose: Mit mechanischer Energie wird die Lösung durch eine semipermeable Membran gedrückt um den gelösten Stoff vom Lösungsmittel zu trennen– Anwendung: Meerwassersalzung

finis

Lösungsmittel

Lösung

Kapillare

Semipermeable Membran