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Versuche zur Osmose

Der Osmometer-Versuch

Einen Versuch zur Osmose haben wir ja bereits auf der letzten Seite kennengelernt:

Eine häufig gestellte Aufgabe in Klausuren

Eine häufig gestellte Aufgabe in Klausuren

Im Innern des Osmometers herrscht eine geringere Wasser-Konzentration als außerhalb, daher diffundieren Wasser-Moleküle durch die Schweinsblase von außen nach innen; sie "versuchen" quasi, einen Konzentrationsausgleich herzustellen, was natürlich nicht gelingt, da die Salz- oder Zuckerteilchen im Osmometer nicht einfach "verschwinden" können. Durch die eingedrungenen Wasser-Moleküle baut sich aber langsam ein hydrostatischer Druck in der Salzlösung auf, der dem Einströmen der Wasser-Moleküle entgegenwirkt. Nach einer bestimmten Zeit ist dieser hydrostatische Druck so groß, dass im Endeffekt keine Wasser-Moleküle mehr in die Salzlösung eindringen können. Es hat sich ein dynamisches Gleichgewicht eingestellt.

Plasmolyse

Das Phänomen
Plasmolyse einer Pflanzenzelle

Plasmolyse einer Pflanzenzelle

Durchführung

Man schneidet eine Zwiebel in kleine Stücke und zieht mit der feinen Pinzette ein dünnes Häutchen von einer der Zwiebelschalen ab. Mit der Schere schneidet man nun ein kleines Quadrat aus diesem Häutchen aus und mikroskopiert es. Allerdings legt man das kleine Zwiebelhäutchen nicht in einen Tropfen Leitungswasser, sondern in einen Tropfen einer 10%igen Kochsalzlösung. Besonders anschaulich wird dieser Versuch, wenn man die Zellen vorher einfärbt hat (oder wenn man gleich rote Zwiebeln verwendet, bei denen man den Protoplasten besonders gut sehen kann).

Beobachtungen

Man kann nun beobachten, dass sich der Protoplast recht schnell zusammenzieht, er wird innerhalb weniger Minuten deutlich kleiner.

Deutung

Die Erklärung für diese Beobachtung ist recht einfach, nach all dem, was wir über Osmose und Osmometer gelernt haben.

Die 10%ige Kochsalzlösung ist hypertonisch gegenüber dem Protoplasten der Zwiebelzelle. Anders herum gedacht: Die Wasser-Konzentration im Protoplasten ist größer als die Wasser-Konzentration in der Kochsalz-Lösung. Also "möchte" Wasser von innen nach außen diffundieren. Die Zellmembran der Zwiebelzelle ist auch permeabel für Wasser-Moleküle. Es findet also eine solche Diffusion statt.

Die Kochsalz-Ionen "wollen" in die Zwiebelzelle hinein diffundieren, wegen des Konzentrationsgefälles, können das aber nicht, weil die Membran sie nicht durchlässt. Die Membran ist nicht permeabel für Natrium- und Chlorid-Ionen.

Im Endeffekt verliert die Zelle also Wasser an das Außenmedium, ohne dafür Teilchen zurück zu bekommen. Im Mikroskop sieht man dann, wie die Protoplasten immer kleiner werden und sich schließlich kugelförmig zusammenziehen.

Weiterführende Fragen

Wann kommt dieser Prozess zum Stillstand? Verschwinden die Protoplasten schließlich ganz?

Durch das Austreten der Wasser-Moleküle wird die Teilchen-Konzentration im Innern des Protoplasten immer größer. Man denke an die Definition des Begriffs "Konzentration": Stoffmenge pro Volumen. Da das Volumen der Protoplasten immer kleiner wird, wird die Konzentration der verschiedenen gelösten Stoffe im Protoplasten immer größer.

Irgendwann ist die Gesamtkonzentration der im Protoplasten gelösten Teilchen genau so groß wie die Salzkonzentration im Außenmedium. Jetzt herrscht also eine Art Konzentrationsausgleich, und die Diffusion der Wasser-Moleküle nach außen kommt zu einem scheinbaren Stillstand; es hat sich ein dynamisches Gleichgewicht eingestellt.

Vergleich mit dem Osmometer-Versuch

Beim Osmometer-Versuch hat sich der Gleichgewichtszustand dadurch eingstellt, dass der hydrostatische Druck in der Salzlösung immer größer wurde, nämlich durch die Aufnahme der Wasser-Moleküle, die aus dem Außenmedium eindiffundierten.

Bei der Plasmolyse stellt sich das dynamische Gleichgewicht dadurch ein, dass die Stoffkonzentration im Protoplasten immer größer wird, bis sie schließlich den Wert des Außenmediums erreicht hat.

Deplasmolyse

Noch besser kann man den Vorgang der Deplasmolyse mit dem Osmometer-Versuch erklären. Wenn man das Zwiebelhäutchen mit den zusammengeschumpften Protoplasten nun mit der Pinzette anfasst in einen Tropfen Leitungswasser legt, so kann man einen umgekehrten Prozess beobachten: Die Protoplasten nehmen wieder an Volumen zu, bis sich der ursprüngliche natürliche Zustand eingestellt hat.

Die Erklärung für diese Deplasmolyse ist nun recht einfach: Im Protoplasten herrscht eine größere Stoffkonzentration als im Leitungswasser - oder anders gesehen: Im Leitungswasser herrscht eine größere Wasser-Konzentration als im Protoplasten, daher diffundiert Wasser vom Außenmedium in die Protoplasten hinein.

Interessant wird die Deplasmolyse, wenn man sie nicht mit Leitungswasser, sondern mit destilliertem Wasser durchführt. Jetzt werden die Protoplasten noch größer, die Zellen werden richtig "prall". Allerdings wird die Volumenzunahme durch die starre Zellwand begrenzt. Jetzt kann man diesen Versuch durchaus mit dem Osmometer-Versuch vergleichen: Durch die Aufnahme von Wasser aus dem Außenmedium baut sich in der Zelle ein hydrostatischer Druck auf, der mit jedem aufgenommenen Wasser-Molekül größer wird. Dieser hydrostatische Druck ist dem Einströmen von Wasser entgegengerichtet. Da sich im Protoplasten viele gelöste Stoffe befinden, im destillierten Wasser jedoch gar keine, kommt es nie zu einem völligen Konzentrationsausgleich. Die Zelle würde immer mehr Wasser aufnehmen und der Protoplast würde immer größer werden - wenn da nicht die Zellwand wäre, welche die Volumenzunahme des Protoplasten begrenzt.

Führt man den Versuch mit Tierzellen durch, beispielsweise mit Mundschleimhautzellen, so kann man tatsächlich ein Platzen der Zellen beobachten, wenn man sie in destilliertes Wasser legt. Dies ist auch der Grund dafür, dass man destilliertes Wasser auf gar keinen Fall trinken darf.

Der Kartoffelzylinder-Versuch

Dieser Versuch wird im Unterricht gern durchgeführt und war auch schon mal das Thema verschiedener Klausuren.

Durchführung

Aus einer Kartoffel wird eine rechteckige Scheibe geschnitten, die dann in sechs gleichlange "Pommes frites" gleicher Dicke, gleicher Breite und gleicher Länge zerschnitten wird. Die Länge der Kartoffelzylinder wird notiert.

Sechs Erlenmeyerkolben oder Bechergläser werden mit Zuckerlösungen folgender Konzentration vorbereitet: 0 mol/l, 0,2 mol/l, 0,4 mol/l, 0,6 mol/l, 0,8 mol/l und 1,0 mol/l.

In jedes Glasgefäß wird nun jeweils einer der Kartoffelzylinder gelegt. Nach einem Tag werden die Zylinder herausgenommen und die Länge gemessen.

Die Länge der Zylinder wird dann in einem Koordinatensystem gegen die Konzentration der Zuckerlösung graphisch dargestellt.

Beobachtungen
Ergebnisse des Kartoffelversuchs als Balkendiagramm dargestellt

Ergebnisse des Kartoffel-Versuchs

Hier sieht man die Ergebnisse des Kartoffel-Versuchs. Ich nutze einmal diese Gelegenheit und zeige Ihnen, wie eine Ergebnis-Beschreibung in einer Klausur aussehen könnte.

Negativ-Beispiel - so sollte man es auf gar keinen Fall machen:

Was ist an dieser Beschreibung schlecht, alle Fakten sind doch korrekt genannt worden? Hier fehlt die Spur jeden Verständnisses, es werden einfach nur die Zahlen abgelesen und geordnet hingeschrieben.

Positiv-Beispiel - so ähnlich sollten Sie es machen:

Was ist an dieser Beschreibung besser? Dem Lehrer wird sofort klar, dass Sie den Zusammenhang zwischen der Zuckerkonzentration und der Länge der Zylinder verstanden haben. Und Sie haben offensichtlich auch schon erkannt, dass die 0,6-molare Zuckerlösung isotonisch zu den Zellen der Kartoffel ist, weil sich bei dieser Konzentration die Länge der Zylinder nicht geändert hat.

Deutung

Bei einer Konzentration < 0,6 mol/l ist die Zuckerlösung hypoton gegenüber den Kartoffelzellen, enthält also weniger gelöste Teilchen pro Volumeneinheit. Da die Wasserkonzentration in einer hypotonen Lösung größer ist als in den Kartoffelzellen, diffundiert Wasser in die Zellen hinein. Diese nehmen dadurch an Volumen zu (natürlich in Grenzen, wegen der starren Zellwand), und der Kartoffelzylinder wird länger.

Bei einer Konzentration von > 0,6 mol/l ist die Zuckerlösung hyperton gegenüber den Kartoffelzellen, also diffundiert Wasser aus den Kartoffelzellen in die Zuckerlösung. Die Kartoffelzellen werden dadurch kleiner (auch hier wieder begrenzt durch die starre Zellwand), und die Kartoffelzylinder schrumpfen.

Die Konzentration 0,6 mol/l ist isoton gegenüber den Kartoffelzellen, enthält also genau so viele gelöste Teilchen pro Volumeneinheit wie das Protoplasma, und daher ist auch die Wasser-Konzentration gleich. Es findet keine sichtbare Diffusion von Wasser statt, die Zylinder verändern ihre Länge nicht.

Weitere Versuche zur Osmose....

Interne Links:

Externe Links:

Unterrichts-Material:

Folie zum Kartoffel-Versuch