Осмос, осмотическое давление

⇐ ПредыдущаяСтр 100 из 115Следующая ⇒

Тепловому движению в растворах в равной мере подвержены как частицы растворенных веществ, так и растворителя. В результате этого происходит взаимная диффузия частиц растворителя и растворенных веществ, что приводит к выравниванию концентрации во всем объеме раствора. Так, при наличии в растворе двух участков с разными концентрациями происходит диффузия растворенного вещества из области с большей концентрацией в область с меньшей концентрацией, а растворителя – в обратном направлении. Если эти области отделить друг от друга перегородкой, проницаемой только для частиц растворителя и задерживающей частицы растворенного вещества, то диффузия будет односторонней. Но и в этом случае она направлена на выравнивание концентрации во всем объеме системы.

Перегородку, способную задерживать растворенные вещества, но проницаемую для растворителя, называют полупроницаемой мембраной. Такими свойствами по отношению к водным растворам обладают целлофан, пергамент, стенки кишечника и т.д.

Рассмотрим сосуд, разделенный на две части полупроницаемой мембраной (рис. 9.35). В один отсек наливают чистый растворитель, в другой – раствор (или золь) с определенной концентрацией растворенного вещества. Стремление к выравниванию концентрации по обе стороны от мембраны очень велико, а поскольку частицы растворенного вещества не могут пройти через перегородку, то молекулы растворителя устремляются через мембрану в отсек с раствором, создавая в этом отсеке избыточное давление.

Осмосом называется явление односторонней диффузии молекул растворителя через полупроницаемую мембрану.

Осмос сопровождает многие биологические процессы, в частности обменные процессы в растениях и животных организмах. Например, при внутривенном введении лекарств пользуются изотоническим раствором (0, 9% раствор NaCl), концентрация которого совпадает с концентрацией солей в крови. В противном случае, уменьшение или увеличение концентрации соли из-за введения раствора лекарства приведет к возникновению осмоса между плазмой крови и эритроцитами (и другими кровяными тельцами), поскольку оболочки клеток представляют из себя полупроницаемые мембраны. Явление осмоса в этом случае может привести либо к ссыханию клеток, либо к разрыву клеточных оболочек. Осмос находит широкое применение в лабораторной практике (один из методов контроля в производстве полимеров).

Создавая в более концентрированном растворе давление, можно воспрепятствовать осмотическому переходу растворителя через полупроницаемую перегородку.

Осмотическим давлением называется давление, которое требуется создать в растворе, чтобы остановить осмос из чистого растворителя в раствор. При отсутствии полупроницаемой перегородки или в случае равенства концентраций осмотическое давление отсутствует.

а б

Рис. 9.35. Схема осмометра

а) в начальный момент времени; б) после установления равновесия.

Изучая осмотическое давление, Вант-Гофф в 1887 году установил, что осмотическое давление не зависит от природы растворителя. В сильно разбавленных растворах неэлектролитов, сообщающихся через полупроницаемую перегородку с чистым растворителем, осмотическое давление p пропорционально молярной концентрации С растворенного вещества и температуре T:

p = CRT, (9.72)

где R – универсальная газовая постоянная.

При дальнейшем исследовании осмотических явлений Вант-Гофф пришел к выводу о пропорциональности осмотического давления не молярной, а частичной концентрации раствора (т.е. концентрации частиц в растворе).

Для коллоидных частиц это уравнение принимает вид:

, (9.73)

где n - частичная концентрация (число частиц в единице объема);

R – универсальная газовая постоянная;

N_A – число Авогадро;

k – постоянная Больцмана (k = R/N_A);

Т – абсолютная температура.

Анализ этого уравнения позволяет сделать несколько выводов:

1) Осмотическое давление зависит только от частичной концентрации и не зависит от природы и размера частиц.

2) Осмотическое давление коллоидных растворов намного ниже (в сотни и тысячи раз), чем у истинных растворов. Это связано с тем, что коллоидные частицы намного крупнее, чем молекулы (коллоидные агрегаты содержат более 1000 молекул), поэтому число частиц в золе намного меньше, чем в истинном растворе (при той же массе растворенного вещества).

3) Осмотическое давление коллоидных растворов не является постоянным, так как с течением времени может происходить агрегация частиц (слипание) и поэтому число частиц в растворе будет изменяться, а, следовательно, будет изменяться и давление.

Осмотическое давление измеряют в специальных приборах – осмометрах (рис. 9.35). Осмотическое давление равно гидростатическому давлению столба жидкости Dh, уравновешивающему стремление растворителя проникнуть в раствор через полупроницаемую перегородку.

p = rgDh (9.74)

где r – плотность раствора;

g – ускорение свободного падения;

Dh – разность уровней жидкости в двух отсеках осмометра.

Измерив осмотическое давление с помощью осмометра, по уравнению (9.73) можно определить частичную концентрацию n. Если известна общая масса растворенного вещества ( ), то можно определить массу одной частицы ( ), поскольку

, (9.75)

где m_общ – общая масса растворенного вещества;

m_част – масса одной частицы;

V – объем раствора.

Если частица имеет сферическую форму, то, зная ее массу и плотность растворенного вещества, можно вычислить объем частицы (V_част= /r), а, следовательно и ее радиус (V_част= 4/3 pr³).

Этот метод применен для определения молекулярных масс высокомолекулярных соединений, в частности белков, гемоглобина. Прикладное значение осмоса не ограничивается применением его в лабораторных исследованиях. В последние годы его все шире используют в производстве.

⇐ Предыдущая 95 96 97 98 99100101 102 103 104 Следующая ⇒