Сущность явления осмоса. Осмотическое давление

Осмос (от греч. ōsmós - толчок, давление), диффузия[*] вещества, обычно растворителя, через полупроницаемую мембрану, разделяющую раствор и чистый растворитель или два раствора различной концентрации. Полупроницаемая мембрана - перегородка, пропускающая малые молекулы растворителя, но непроницаемая для более крупных (иногда за счет возникновения сольватной оболочки) молекул растворённого вещества. Выравнивание концентраций по обе стороны такой мембраны возможно лишь при односторонней диффузии растворителя, поэтому всегда идёт от чистого растворителя к раствору, или от разбавленного раствора к концентрированному. Осмос, направленный внутрь ограниченного объёма жидкости, называется эндосмосом, наружу - экзосмосом.

Перенос растворителя через мембрану обусловлен осмотическим давлением. Оно равно избыточному внешнему давлению, которое следует приложить со стороны раствора, чтобы прекратить осмос, т. е. создать условия осмотического равновесия.

Разбавленные растворы хорошо подчиняются законам идеальных газов (pV=nRT). Сходство разбавленных растворов с идеальными газами голландский химик Вант-Гофф выразил в виде закона:

P_осм = C_М·R·T**

где С_М − молярная концентрация раствора (число моль вещества на 1 л раствора); R − универсальная газовая постоянная; T − абсолютная температура.

Здесь подразумевается давление по отношению к чистому растворителю. Если же мембрана разделяет два раствора, то:

P_осм = P_{осм 1} - P_{осм 2} = (С_{м 1} - С_{м 2})RT

Таким образом, осмотическое давление идеального раствора равно тому давлению, которое оказывало бы растворенное вещество, если бы оно, находясь в газообразном состоянии при той же температуре, занимало бы тот же объем, который занимает раствор.

Осмос имеет большое значение для жизнедеятельности животных и растений. Процессы усвоения пищи, обмена веществ тесно связаны с избирательной проницаемостью стенок клеток живых организмов. Осмос обусловливает поднятие воды по стеблю растений, рост клетки и многие другие явления. В тканях растений, всасывающих воду из почвы, осмотическое давление достигает 5 — 20 атм (516,6—2066,5 кПа), а у некоторых растений пустынь и солончаков даже 170 атм (17 561 кПа).

Интересно также отметить явление плазмолиза и тургора в живых клетках. Если поместить клетку в раствор, концентрация которого равна концентрации клеточного сока, то состояние клетки не изменится, так как осмотическое давление в клетке и в растворе одинаково. Такие растворы, которые при одинаковых концентрациях и температуре обладают одинаковым осмотическим давлением, называют изотоническими. В крепких солевых растворах наблюдается сморщивание клеток (плазмолиз), обусловленное потерей воды, уходящей из клеток в более концентрированный внешний раствор. При этом осмотическое давление внешнего раствора выше, чем внутри клетки, и раствор называют гипертоническим. Если же поместить клетку в раствор, концентрация которого ниже концентрации клеточного сока, то происходит всасывание воды в клетку. Объем клетки увеличивается и клетка находится в состоянии напряжения (тургора). Это явление объясняется более низким осмотическим давлением внешнего раствора, который называют гипотоническим.

Осмотическое давление в крови, лимфе и тканях человека достигает 7,7 атм. (780,2 кПа). Организм человека обладает способностью поддерживать осмотическое давление на постоянном уровне. При изменении осмотического давления организм стремится восстановить его Так, при введении в организм с пищей большого количества растворимых веществ (сахар, соль) осмотическое давление изменяется. Потребностью организма привести осмотическое давление в норму обусловлено появляющееся при этом чувство жажды.

Широко известно применение больших концентраций сахара или солей для консервирования пищевых продуктов. В этих условиях из-за высокой концентрации раствора микроорганизмы подвергаются плазмолизу и погибают.

Превышение избыточного давления над осмотическим может привести к обращению осмоса («обратный осмос»). Тогда через полупроницаемую перегородку "выдавливается" чистый растворитель. Обратный осмос применяется для очистки сточных вод и опреснения морской воды.

В случаях, когда мембрана проницаема не только для растворителя, но и для некоторых растворённых веществ, диффузия последних из раствора в растворитель позволяет осуществить диализ, применяемый как способ очистки полимеров и коллоидных систем от низкомолекулярных примесей, например, электролитов.

Осмос широко используют в лабораторной технике: при определении молярных характеристик полимеров, концентрировании растворов, исследовании разнообразных биологических структур, как способ очистки.

Законы Рауля

Первый тоноскопический закон Рауля. Понижение давления пара растворителя над раствором.

Давление насыщенного пара является важным свойством растворов, с которым связан и ряд других свойств. В результате естественного испарения над жидкостью образуется пар. Одновременно с ним протекает экзотермический процесс конденсации. При определенных условиях устанавливается равновесие (∆G = 0), которое при данной температуре характеризуется давлением насыщенного пара. Поверхность растворителя состоит только из молекул растворителя. Поверхность же раствора состоит из молекул растворителя и растворенного вещества. Поэтому единица поверхности растворителя содержит большее количество молекул растворителя, чем единица поверхности раствора. В случае нелетучего растворенного вещества с поверхности раствора испаряются только молекулы растворителя, поэтому в единицу времени с поверхности растворителя испаряется большее число молекул, чем с поверхности раствора. Уменьшению числа молекул, испаряющихся с поверхности раствора, способствует и процесс гидратации (сольватации), приводящий к образованию более или менее прочных гидратов (сольватов), что затрудняет переход молекул растворителя в пар. Следовательно, при одной и той же температуре давление пара растворителя над раствором всегда ниже давления пара над чистым растворителем. Разность между давлением пара чистого растворителя и растворителя над раствором называется понижением давления пара растворителя и обозначается Δр:

Δp = p₀ - p,

где р₀ − давление пара растворителя над чистым растворителем; р − давление пара растворителя над раствором.

Понижение давления пара тем больше, чем выше концентрация раствора. Зависимость понижения давления насыщенного пара от концентрации установлена французским ученым Раулем. Понижение давления пара растворителя над раствором при постоянной температуре пропорционально мольной доле растворенного вещества. Эту зависимость называют первым законом Рауля и выражают уравнением:

,

где Δр − понижение давления пара; р − давление пара растворителя над чистым растворителем; n − число молей растворенного вещества; N − число молей растворителя. Отношение n/(n + N) − мольная доля растворенного вещества (χ).

Приведенные уравнения и расчеты по ним справедливы только для разбавленных растворов и нелетучих растворенных веществ. С увеличением концентрации раствора наблюдаются отклонения от законов Рауля и тем большие, чем выше концентрация раствора.

Из понижения давления пара растворителя над раствором вытекают два других явления: повышение температуры кипения и понижение температуры замерзания раствора по сравнению с чистым растворителем.

Второй закон Рауля. Повышение температуры кипения раствора по сравнению с температурой кипения чистого растворителя

Испарение жидкости с поверхности может происходить при любой температуре. Если же парообразование происходит не только со свободной поверхности жидкости, но и внутри ее, то такой процесс называют кипением. Чистый растворитель или раствор начинает кипеть при такой температуре, при которой давление пара растворителя над чистым растворителем или раствором равно внешнему давлению (известно, что в горах вода кипит ниже 100°С). Если давление насыщенного пара над раствором меньше, чем над растворителем, то, чтобы довести его до атмосферного, требуется более высокая температура. То есть температура кипения раствора выше температуры кипения чистого растворителя:

Dt_{кипения} = t_{кипения раствора} - t_{кипения чистого растворителя} = К_э · С_m,

где К_э – эбуллиоскопическая константа, являющаяся характеристикой растворителя и не зависящая от природы растворенного вещества, С_m - моляльная концентрация раствора[†]. Для расчетов часто используется следующее выражение закона:

Второй закон Рауля. Понижение температуры замерзания раствора по сравнению с температурой замерзания чистого растворителя

Жидкость замерзает при той же температуре, при которой давление пара вещества в твердом состоянии становится равным давлению пара этого же вещества в жидком состоянии. Например, давление пара льда и давление пара воды одинаково и равно 4,6 мм рт. ст. (613 Па) при 0°С, поэтому 0°С считается температурой замерзания воды. Если же взять раствор какого-либо вещества в воде, то вследствие понижения давления пара при 0°С он будет обладать меньшим давлением пара, чем у чистой воды. Лишь при некоторой температуре, лежащей ниже нуля, давление над раствором уменьшается настолько, что становится равным давлению пара льда при такой же температуре. Таким образом, раствор будет замерзать не при 0°С, а при более низкой температуре, при которой давление пара раствора становится равным давлению пара льда. То есть, температура замерзания раствора ниже температуры замерзания чистого растворителя:

Δt_{замерзания} = t_{замерзания раствора} - t_{замерзания чистого растворителя} = К_кр · С_m

где К_кр - криоскопическая константа, являющаяся характеристикой растворителя и не зависящая от природы растворенного вещества, С_m - моляльная концентрация раствора. Для расчетов часто используется следующее выражение закона:

Раствор в отличие от чистого растворителя не отвердевает целиком при постоянной температуре. При некоторой температуре, называемой температурой начала кристаллизации, начинают выделяться кристаллы растворителя поэтому под температурой замерзания раствора всегда понимают именно температуру начала кристаллизации.

Итак, второй закон Рауля являетсяследствием из первого и формулируется следующим образом: повышение температуры начала кипения и понижение температуры начала кристаллизации идеального раствора (по сравнению с растворителем) пропорциональны суммарной моляльной концентрации всех растворенных веществ при условии, что в пар и в твердую фазу переходит только растворитель.

Изменение коллигативных свойств растворов с изменением концентрации используется на практике: для понижения температуры замерзания жидкостей (например, антифризы − растворы-теплоносители для охлаждения двигателей), а также для расчета некоторых свойств растворов, растворителей и растворенных веществ. Например, по любому из 4-х свойств можно определить молекулярную массу растворенного вещества.

Вопросы для самопроверки

1. Согласно первому закону Рауля

1) ΔT_{(кипения)} = EС_m 2)ΔT_{(замерзания)} = KС_m 3)ΔP/P^o = χ(_{растворенного вещества})

4)P_{(осмотическое)} = С_МRT 5) PV = nRT

2. Согласно второму закону Рауля

1) ΔT(кипения) = EС_m 2) ΔT(замерзания) = KС_m

3) ΔP/Po = χ(растворенного вещества) 4) P(осмотическое) = С_МRT

5) PV = nRT

3. Давление насыщенного пара над раствором

1)больше, чем над чистым растворителем

2)меньше, чем над чистым растворителем

3)повышается или понижается в зависимости от природы растворенного вещества

4)повышается или понижается в зависимости от природы растворителя

4. Давление насыщенного пара над растворителем

1)больше, чем над раствором 2)меньше, чем над раствором

3)такое же как и над раствором

5. Осмотическое давление обусловлено

1)переходом молекул растворителя в раствор

2)переходом молекул растворенного вещества в растворитель

3)изменением объема жидкости при растворении

4)гидратацией молекул растворенного вещества

6. Введение растворенного вещества в растворитель приводит к

1)повышению температуры кипения 2)понижению температуры кипения

3)повышению температуры замерзания

4)понижению температуры замерзания

5)повышению давления насыщенного пара растворителя

6)понижению давления насыщенного пара растворителя

7)понижению осмотического давления

8)повышению осмотического давления

7. При увеличении концентрации раствора осмотическое давление

1)уменьшается 2)увеличивается 3)не изменяется

4)изменяется различным образом в зависимости от природы растворителя

8. При увеличении концентрации раствора давление насыщенного пара растворителя

1)уменьшается 2)увеличивается 3)не изменяется

4)изменяется различным образом в зависимости от природы растворителя

[*] Диффузия - явление самопроизвольного проникновения одного вещества в другое вещество, обусловленное тепловым движением атомов, молекул, ионов и других частиц. Результатом диффузии является достижение полной однородности вначале разнородной системы

** При расчетах необходимо учитывать, что если размерность концентрации в моль/л, то размерность получаемой величины давления - кПа (литр - дециметр кубический, то есть одна тысячная часть кубического метра).

[†] Моляльная концентрация - количество молей растворенного вещества в килограмме растворителя.