• Facebook
  • LinkedIn
  • KONTAKT
  • ANNONCERING
  • OM KEMIFOKUS
  • PARTNERLOGIN

KemiFOKUS

Fokus på kemi

  • Analytisk kemi
  • Arbejdsmiljø/Indeklima
  • Biokemi
  • Biologi
  • Bioteknologi
  • Branchenyt
  • Energi
  • Fødevarekemi
  • Historisk kemi
  • Kemiteknik
  • Kemometri
  • Klikkemi
  • Klima og miljø
  • Lovgivning og patenter
  • Medicinalkemi
  • Nanoteknologi
  • Organisk kemi
  • Artikler fra Dansk Kemi

Artikler fra Dansk Kemi26. 08. 2026 | Heidi Thode

Kontrolleret osmose

Artikler fra Dansk Kemi26. 08. 2026 | Heidi Thode

En metode til måling af blandingsenergi i ikke-ideale opløsninger.

Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 4, 2026 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder
(læs originalartiklen her)

Af Dennis Wowern Nielsen1 og Claus Helix-Nielsen2
1 Uafhængig forsker
 2 Professor, DTU Sustain

Hvorfor er blandingsenergi vigtig?
Når et protein binder en ligand, et lægemiddel opløses i blodet, eller en polymer svulmer op i vand, er det i høj grad opløsningens termodynamiske egenskaber, der bestemmer systemets adfærd. En central størrelse i denne sammenhæng er opløsningens Gibbs’ frie blandingsenergi, … , der beskriver det energimæssige bidrag fra blandingsprocessen og spiller en afgørende rolle for stoffers opløselighed, protein-ligand-interaktioner samt polymerers opførsel i forskellige solventer.
For ideale systemer kan … beregnes direkte ud fra koncentrationerne, men mange virkelige systemer afviger markant fra denne idealitet. Dette gælder eksempelvis polymeropløsninger, elektrolytter og biologiske væsker, hvor intermolekylære vekselvirkninger bidrager til en mere kompleks termodynamisk adfærd.
Små ændringer i blandingsenergien kan derfor afgøre, om et system forbliver homogent eller spontant faseadskilles, som illustreret i Figur 1. Af denne grund er den direkte eksperimentelle bestemmelse af blandingsenergien af særlig interesse.
Det følger heraf, at eksperimentel bestemmelse af Gibbs’ frie blandingsenergi spiller en central rolle i forståelsen og beskrivelsen af komplekse kemiske systemer.

En vej til blandingsenergi
Hvis en opløsning adskilles fra sit solvent med en semipermeabel membran, vil solventet spontant strømme ind i opløsningen som følge af osmose. Denne proces kan udføre mekanisk arbejde på sine omgivelser, eksempelvis ved at løfte et stempel, der driver en krumtap. Dette er illustreret i Figur 2.
Det er klart, at den rotation, som osmosen frembringer, påvirkes af det ydre modtryk og dermed af det drejningsmoment, der virker på krumtappen. Hvis modtrykket løbende justeres, så solventstrømmen gennem membranen holdes meget lille, kan fortyndingsprocessen bringes tæt på reversibel ligevægt. Under disse betingelser begrænses entropiproduktionen, og det udførte arbejde bliver tæt koblet til opløsningens Gibbs’ frie blandingsenergi.
For at beskrive solventtransporten gennem en semipermeabel membran kan den velkendte Kedem–Katchalsky-ligning anvendes

(ligning)

hvor … er volumenfluxen gennem membranen, … er det aktuelle osmotiske tryk, og … er det påførte modtryk. Differensen … er den termodynamiske drivkraft bag transportprocessen. Udtrykket er en nær-ligevægtsbeskrivelse og er konsistent med ligevægtstermodynamikken i grænsen, hvor drivkraften går mod nul [1]. Hvis modtrykket næsten balancerer det aktuelle osmotiske tryk, vil den osmotiske fortynding derfor forløbe næsten reversibelt. Under disse betingelser kan det udførte arbejde under en kontrolleret osmotisk fortynding kobles direkte til opløsningens blandingsenergi

(ligning)

hvor … repræsenterer den osmotisk fortyndede sluttilstand, mens integralet beskriver det reversible arbejde udført under fortyndingen [2].

I mange tilfælde bliver sluttilstanden så fortyndet, at den med god tilnærmelse kan behandles som ideal, hvilket gør bestemmelsen af … særlig enkel.

Dette leder naturligt til spørgsmålet om, hvordan blandingsenergien kan bestemmes eksperimentelt.

Hvordan kan blandingsenergien måles?
For ikke-ideale opløsninger er det aktuelle osmotiske tryk sjældent kendt på analytisk form. I stedet gennemføres den kontrollerede fortynding som en serie af små næsten reversible trin, hvor de tilhørende værdier af tryk og volumen registreres.
På baggrund af disse målinger kan arbejdsintegralet estimeres numerisk som

(ligning)

hvor …  repræsenterer det målte modtryk ved den tilsvarende volumenændring … . Dermed bliver det muligt at bestemme Gibbs’ frie blandingsenergi eksperimentelt direkte ud fra målte data, selv for stærkt ikke-ideale opløsninger, hvor klassiske matematiske modeller ofte bliver utilstrækkelige [2].

I stedet for først at beskrive det osmotiske tryk ved en analytisk model bestemmes arbejdsbidraget her direkte ud fra sammenhørende målinger af tryk og volumen langs en nær-reversibel fortyndingsvej.

Fra osmotisk motor til osmometer
Eksisterende metoder til bestemmelse af osmotiske egenskaber har både styrker og begrænsninger. Statisk membranosmometri gør det muligt at bestemme både testopløsningens osmotiske tryk og den tilhørende volumenudvidelse ved ligevægt, …. For stærkt ikke-ideale opløsninger kan de nødvendige ligevægtstryk imidlertid blive meget store. I nogle tilfælde svarer de til væskesøjler på flere hundrede meter. Dette gør metoden upraktisk i et almindeligt laboratorium [3]. Selv hvis disse praktiske begrænsninger kunne overvindes, opstår et mere grundlæggende problem: Under fri osmotisk fortynding er strømmen af solvent ind i testopløsningen ukontrolleret. Det osmotiske tryk vil derfor generelt overstige det ydre modtryk, og den termodynamiske drivkraft kan ikke antages at være nul. Det udførte mekaniske arbejde kan dermed ikke uden videre fortolkes som reversibelt arbejde, og arbejdsintegralets termodynamiske betydning bliver derfor uklar.
Dynamisk membranosmometri muliggør en hurtig bestemmelse af det osmotiske tryk ved hjælp af et veldefineret ydre modtryk. Metoden giver dog ikke direkte information om den volumenudvidelse, som en fri osmotisk fortynding ville medføre [4]. Den samme begrænsning gælder tillige for frysepunkts- og damposmometri.
Det grundlæggende element er den osmotiske cylinder, som kan anvendes på to måder. Hvis formålet er at udnytte testopløsningens osmotiske potentiale som mekanisk energikilde, må flere cylindre kobles til en fælles krumtapaksel, som skitseret i Figur 2a. I denne motoriske anvendelse kræves mindst tre cylindre for at opnå et gentaget fyldnings-, arbejds- og udstødningsforløb.
Hvis formålet derimod er at bestemme testopløsningens Gibbs’ frie blandingsenergi, er én osmotisk cylinder i princippet tilstrækkelig. Cylinderen kan da konfigureres som et osmometer, hvor en generator tilsluttet krumtappen både kan styre indsugningsslaget, bremse det osmotiske arbejdsslag og gennemføre udstødningsslaget, som skitseret i Figur 2b. I denne måletekniske anvendelse er det ikke den kontinuerlige motordrift, men den kontrollerede sammenhæng mellem modtryk og volumenændring, der er afgørende.
Den osmotiske motor kan derfor opfattes som det overordnede termodynamiske koncept, mens det én-cylindrede osmometer er den praktiske målekonfiguration. Begge bygger på samme princip: kontrolleret osmose tæt på … .
Den idealiserede osmotiske cylinder består af en semipermeabel membran, et stempel og en krumtapaksel. I osmometerkonfigurationen kan en generator tilsluttet krumtappen anvendes til at styre drejningsmomentet og dermed holde systemet tæt på tilstanden … . Herved kan det reversible osmotiske arbejde estimeres, som illustreret i Figur 2b.
Allerede fortyndet materiale kan under drift recirkuleres tilbage til testopløsningen. Herved reduceres det aktuelle osmotiske tryk gradvist. I den motoriske anvendelse vil rotationshastigheden derfor falde løbende, indtil trykket bliver for lavt til at løfte stemplet, hvorefter motoren standser. Dette er illustreret i Figur 3.
Systemet kan i princippet udvides med elektrisk styring via en generator. Hvis fortyndingen kombineres med den omvendte opkoncentrering, opstår en formel analogi til cyklisk voltammetri kendt fra elektrokemien. I sådanne systemer kan ændringer i hysteresekurvens form potentielt afspejle strukturelle fænomener, eksempelvis biomolekylers konformationsændringer.

Polymerer og andre komplekse opløsninger
Den indledende Figur 1 illustrerer et klassisk problem inden for polymerfysik: Hvornår forbliver et system homogent, og hvornår faseadskilles det?
Den største styrke ved metoden er dens anvendelse på ikke-ideale opløsninger, hvor det osmotiske tryk ofte bestemmes af komplekse intermolekylære vekselvirkninger. Dette gælder blandt andet polymeropløsninger, proteiner i vandige miljøer, koncentrerede elektrolytter og biologiske væsker. I sådanne systemer anvendes ofte Flory-Huggins-parameteren, χ, til at beskrive interaktionen mellem polymer og solvent [5,6]. Når Gibbs’ frie overskudsenergi kan bestemmes eksperimentelt gennem kontrolleret osmose, kan χ estimeres med en mere direkte kobling til målte termodynamiske data.
En tilsvarende problemstilling optræder i industrielle separationsprocesser, hvor aktivitetskoefficienter og faseadfærd ofte estimeres ved hjælp af gruppebidragsmodeller som UNIFAC [7]. Sådanne modeller er særdeles nyttige i procesberegninger, men deres forudsigelser afhænger af de underliggende gruppeinteraktionsparametre og af de eksperimentelle data, som modellerne er baseret på. En kontrolleret osmotisk måling kan derfor i princippet give et uafhængigt eksperimentelt sammenligningsgrundlag for konkrete modelbaserede forudsigelser.
Hvis et co-solvent ændrer den kemiske aktivitet af et opløst stof, kan det påvirke, hvor let stoffet kan frasepareres ved for eksempel destillation, ekstraktion eller andre enhedsoperationer. Metoden kan dermed bruges til at undersøge, om et bestemt co-solvent hæver aktiviteten af det solutmolekyle, man ønsker at fjerne. Hvis dette er tilfældet, kan separationsprocessen muligvis gennemføres med lavere energiforbrug eller lavere driftsomkostninger.
Samlet set kan metoden skabe en mere direkte forbindelse mellem eksperimentelle målinger, termodynamiske modeller og procesoptimering. Dette kan være relevant inden for membranteknologi, hydrogeler, batterimaterialer, biopolymerer, farmaceutiske formuleringer og industrielle separationsprocesser. Tilsvarende kan metoden bidrage til undersøgelser af makromolekylers konformationsændringer som funktion af solventets tilstedeværelse.

Bemærkning
Figur 2 og 3 bygger på figurer fra vores tidligere PCCP-artikel [2]. Figurerne er omtegnet og tilpasset til denne artikel. Den oprindelige artikel er udgivet som Open Access under Creative Commons-licensen CC BY-NC 3.0. Det betyder, at materialet må genbruges med tydelig kildeangivelse, så længe genbrugen sker i ikke-kommerciel sammenhæng.
Ordet fasesamlingi Figur 1 anvendes her didaktisk som modsætning til ordet faseadskillelse og ikke som en etableret fysisk-kemisk fagterm.

E-mail:
Dennis Wowern Nielsen: dwnielsen@gmail.com

Litteratur
1. Katchalsky, A. and Kedem, O. Thermodynamics of Flow Processes in Biological Systems. Biophysical Journal, 2, 53-78 (1962).
2. Nielsen, D.W. and Helix-Nielsen, C. Measuring the Gibbs’ free energy of mixing using the concept of an osmotic engine. Phys. Chem. Chem. Phys., 28, 11465-11477 (2026).
3. Pfeffer, W. Osmotische Untersuchungen: Studien zur Zellmechanik. Wilhelm Engelmann, Leipzig (1877).
4. Berkeley, Earl of, and Hartley, E.G.J. A method of measuring directly high osmotic pressures. Proceedings of the Royal Society of London, 73, 436-443 (1904).
5. Flory, Paul J. Thermodynamics of high polymer solutions. The Journal of Chemical Physics, 10, 51-61 (1942).
6. Huggins, Maurice L. Some Properties of Solutions of Long-Chain Compounds. The Journal of Chemical Physics, 9, 440 (1941).
7. Fredenslund, A., Jones, R.L. and Prausnitz, J.M. Group-contribution estimation of activity coefficients in nonideal liquid mixtures. AIChE Journal, 21(6), 1086-1099 (1975).

BOKS:
Osmose, entropi og arbejde
Kontrolleret osmose betegner her en osmotisk fortynding, hvor solventstrømmen gennem en semipermeabel membran bremses af et ydre modtryk. Når modtrykket næsten balancerer det aktuelle osmotiske tryk, bliver volumenfluxen meget lille, … . Processen nærmer sig dermed reversibel ligevægt.
Produceret entropi er den entropi, der dannes internt i en irreversibel proces. Ved reversibel osmotisk fortynding går den interne entropiproduktion mod nul. Systemets entropi kan stadig ændre sig, men der produceres ikke entropi som følge af irreversibilitet.
Maksimalt arbejde opnås i den reversible grænse. Ifølge Gibbs’ maksimale arbejdsprincip kan en proces kun udføre sit maksimale arbejde på omgivelserne, når den interne entropiproduktion går mod nul.
Derfor kan arbejdsintegralet i den kontrollerede osmotiske fortynding fortolkes som reversibelt osmotisk arbejde og forbindes med Gibbs’ frie blandingsenergi.

Skrevet i: Artikler fra Dansk Kemi

Seneste nyt fra redaktionen

Nobelprisen i Kemi belønner forskning i molekylernes spejlbilleder

BranchenytMedicinalkemiOrganisk kemiTop12. 10. 2026

Nogle molekyler, såsom aminosyrer, findes i to varianter, der er hinandens spejlbilleder. Levende organismer indeholder imidlertid kun det ene af disse spejlbilleder. Hvordan en sådan kemisk asymmetri kunne være opstået, har længe været et mysterium for kemikere. Henri B. Kagan og Kenso Soai blev i

Astronauters maver går i stå i rummet – blodprøver giver nyt svar

AktueltBiologi12. 10. 2026

Alt er anderledes i rummet – også hvordan tarmene fungerer. Forstoppelse er en kendt bivirkning ved rumfart, men indtil nu har man vidst utroligt lidt om, hvorfor det sker. Nu har forskere fra Københavns Universitet i et samarbejde med NASA undersøgt blod fra astronauter og har et bud på, hvorfor

Grundstoffer med kant

Artikler fra Dansk KemiBranchenyt07. 10. 2026

Thomas Just Sørensen: Universets byggeklodser. 283 sider. Boganmeldelsen er bragt i Dansk Kemi nr. 5, 2026 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs originalartiklen her) Anmeldt af Søren Kiil, professor, DTU Kemiteknik Det periodiske system er kemiens

Evaluering af rustbeskyttende maling under barske maritime forhold

Artikler fra Dansk KemiKemiteknik07. 10. 2026

Ny viden og avanceret testning skal sikre mere holdbare og bæredygtige beskyttelsessystemer til fremtidens infrastruktur. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 5, 2026 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs originalartiklen her) Af Ziyou Li, Joshua

Hvordan får vi saftige plantebøffer? Rehydrering af tekstureret vegetabilsk protein

Artikler fra Dansk KemiFødevarekemi07. 10. 2026

Tekstureret vegetabilsk protein bruges til at fremstille plantebaserede kødanaloger. pH og ionstyrke påvirker proteiners konformation og interaktion med vandmolekyler, så vi satte os for at undersøge, hvordan pH og ionstyrke påvirker rehydrering af tekstureret vegetabilsk protein. Artiklen har

Hvad skal kalken bruges til?

Artikler fra Dansk Kemi07. 10. 2026

Fra en brønd på en jysk mark til borekerner i kælderen under Aarhus Universitet: 55 millioner år gammel vulkansk aske kan måske hjælpe med at gøre CO₂ til sten. Samtidig forsøger dansk industri at vende kalkens gamle kulstofkredsløb på hovedet. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 5, 2026 og

Biotin[6]uril – en makrocyklisk forbindelse, der vekselvirker med anioner

Artikler fra Dansk KemiOrganisk kemi07. 10. 2026

Ved at udnytte at reaktionen mellem formaldehyd og d-Biotin (et vitamin, og et naturligt forekommende N,N'-dialkylurinstof) er reversibel, kan oligomeriseringsreaktionen guides ved at tilsætte en templat. I dette bidrag forklarer jeg, hvordan dette er blevet udnyttet til at syntetisere makrocykler,

“I dybden med kemi” og “Klædt på til skriftlig kemi”

Artikler fra Dansk KemiBranchenyt07. 10. 2026

I dybden med kemi af Lone Brun Jakobsen og Klædt på til skriftlig kemi af Lone Brun Jakobsen m.fl. Begge udgivelser på Nucleus Forlag ApS, 2026, 1. udgave, 1. oplag. Boganmeldelsen har været bragt i Dansk Kemi nr. 5, 2026 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder (læs

Fra sjældne ædelmetaller til jern og mangan: Jagten på bæredygtige fotoaktive materialer

Analytisk kemiArtikler fra Dansk Kemi07. 10. 2026

Hvordan kan nogle af jordskorpens mest almindelige metaller omdanne lys til kemisk energi, og hvilke udfordringer skal løses, før de kan erstatte ruthenium og iridium i fremtidens lysdrevne teknologier? Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 5, 2026 og kan læses uden illustrationer, strukturer

Fra kvantekemi til AI: Nye værktøjer til overfladekemi

Artikler fra Dansk Kemi07. 10. 2026

Kvantekemi gav os evnen til at forstå kemiske processer på atomart niveau. AI gør det nu muligt at anvende denne forståelse på realistiske og komplekse systemer. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 5, 2026 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs

Tilmeld Nyhedsbrev

Tilmeld dig til dit online branchemagasin/avis

Få fuld adgang til indlægning af egne pressemeddelelser...
Læs mere her
This message is only visible to admins.
Problem displaying Facebook posts. Backup cache in use.
Click to show error
Error: (#200) Provide valid app ID Type: OAuthException

Læs også magasinet Dansk Kemi

Nyeste udgave af magasinet "Dansk Kemi" kan læses online, ved at klikke på bladforsiden.
Herfra er der desuden adgang til online-arkivet med tidligere udgivelser.

Seneste Nyheder

  • Nobelprisen i Kemi belønner forskning i molekylernes spejlbilleder

    12.10.2026

  • Astronauters maver går i stå i rummet – blodprøver giver nyt svar

    12.10.2026

  • Grundstoffer med kant

    07.10.2026

  • Evaluering af rustbeskyttende maling under barske maritime forhold

    07.10.2026

  • Hvordan får vi saftige plantebøffer? Rehydrering af tekstureret vegetabilsk protein

    07.10.2026

  • Hvad skal kalken bruges til?

    07.10.2026

  • Biotin[6]uril – en makrocyklisk forbindelse, der vekselvirker med anioner

    07.10.2026

  • “I dybden med kemi” og “Klædt på til skriftlig kemi”

    07.10.2026

  • Fra sjældne ædelmetaller til jern og mangan: Jagten på bæredygtige fotoaktive materialer

    07.10.2026

  • Fra kvantekemi til AI: Nye værktøjer til overfladekemi

    07.10.2026

  • Fra elastik til batteri

    07.10.2026

  • Ny erfaren institutdirektør på DTU Kemi

    06.10.2026

  • 30 års overvågning viser, at antibiotikaresistens kan presses tilbage

    05.10.2026

  • Spiseolier – de onde, de gode og den virkelig gode

    29.09.2026

  • Gekkoen kan hele sit hjerte uden arvæv

    29.09.2026

Alle nyheder ›

/Brochurer
/White papers

  • Ergonomi og sikkerhed brochure
  • Renseanlæg-katalog
  • Biogaskatalog
  • Celledyrkningskatalog
  • Minikatalog
Se alle ›

Læs Dansk Kemi online

Annoncering i Dansk Kemi

KONTAKT

TechMedia ApS
Gammel Strandvej 20, 1th
DK - 2990 Nivå
www.techmedia.dk
Telefon: +45 43 24 26 28
E-mail: info@techmedia.dk

Privatlivspolitik
Cookiepolitik
Administrer samtykke
For at give dig de bedste oplevelser bruger vi teknologier som cookies til at gemme og/eller få adgang til enhedsoplysninger. Hvis du giver dit samtykke til disse teknologier, kan vi behandle data som f.eks. browsingadfærd eller unikke ID'er på dette websted. Hvis du ikke giver dit samtykke eller trækker dit samtykke tilbage, kan det have en negativ indvirkning på visse funktioner og egenskaber.
Funktionsdygtig Altid aktiv
Den tekniske lagring eller adgang er strengt nødvendig med det legitime formål at muliggøre brugen af en specifik tjeneste, som abonnenten eller brugeren udtrykkeligt har anmodet om, eller udelukkende med det formål at overføre en kommunikation via et elektronisk kommunikationsnet.
Præferencer
Den tekniske lagring eller adgang er nødvendig for det legitime formål at lagre præferencer, som abonnenten eller brugeren ikke har anmodet om.
Statistikker
Den tekniske lagring eller adgang, der udelukkende anvendes til statistiske formål. Den tekniske lagring eller adgang, der udelukkende anvendes til anonyme statistiske formål. Uden en stævning, frivillig overholdelse fra din internetudbyders side eller yderligere optegnelser fra en tredjepart kan oplysninger, der er gemt eller hentet til dette formål alene, normalt ikke bruges til at identificere dig.
Marketing
Den tekniske lagring eller adgang er nødvendig for at oprette brugerprofiler med henblik på at sende reklamer eller for at spore brugeren på et websted eller på tværs af flere websteder med henblik på lignende markedsføringsformål.
  • Vælg muligheder
  • Administrer tjenester
  • Administrer {vendor_count} leverandører
  • Læs mere om disse formål
Vælg fra liste
  • {title}
  • {title}
  • {title}