Osmotischer Druck

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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 H2O
∆t
= const ( Π − ρgh )
(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 H 2 O
∆t
≈ const Π = const c B RT
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 ∆vH2O:
∆v
h = H22O
πr
2
Beginnt man die Zeitmessung bei 0, so erhält man:
∆v H2O
πr 2 h
≈ const c B RT
t
t
const RT
h≈
cB t
πr 2
=
Werden alle Größen, die während der Messungen nicht verändert werden, zu einem Faktor k0
zusammengefasst, ergibt sich:
h ≈ k o cB t
Nach dieser Gleichung sollte die Auftragung der Steighöhe h gegen die Zeit bei einer
Konzentration cB eine Gerade mit dem Anstieg k0cB ergeben (Primärauftragung).
Trägt man diese Anstiege aus den Primärauftragungen für mehrere Messreihen mit bekannter
Konzentration (c1,c2,c3 ) gegen die bekannte Konzentrationen auf, sollte sich wiederum eine
Gerade ergeben (Sekundärauftragung).
Bestimmt man nun den Anstieg k0cu für eine unbekannte Konzentration cu im Diagramm
Steighöhe gegen die Zeit, so kann man aus der Sekundärauftragung die unbekannte
Konzentration ermitteln:
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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 OsmoseVersuch).
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.