Коллигативные свойства

Диффузия и осмос

Осмос

Как известно, при температуре выше абсолютного нуля все молекулы находятся в постоянном беспорядочном движении. Это показывает, что они обладают определенной кинетической энергией. Благодаря постоянному движению при смешении двух жидкостей или двух газов их молекулы равномерно распределяются по всему доступному объему.

Диффузия — это процесс, ведущий к равномерному распределению молекул растворенного вещества и растворителя. Как всякое движение, диффузия требует энергии. Диффузия всегда направлена от большей концентрации данного вещества к меньшей, от системы, обладающей большей свободной энергией, к системе с меньшей свободной энергией. Свободной энергией называется часть внутренней энергии системы, которая может быть превращена в работу. Свободная энергия, отнесенная к 1 молю вещества, носит название химического потенциала. Таким образом, химический потенциал — это мера энергии, которую данное вещество использует на реакции или движение. Химический потенциал — функция концентрации. Скорость диффузии зависит от температуры, природы вещества и разности концентраций. Чем выше концентрация данного вещества, тем выше его активность и его химический потенциал. Диффузионное передвижение вещества всегда идет от большего к меньшему химическому потенциалу. Наибольший химический потенциал у чистой воды. (Почему?) Добавление к воде молекул растворенного вещества приводит к возникновению связи между молекулами воды и растворенного вещества, что уменьшает ее активность, ее свободную энергию, ее химический потенциал. В том случае, если диффундирующие вещества встречают на своем пути мембрану, движение замедляется, а в некоторых случаях прекращается. Диффузия воды по направлению от своего большего к меньшему химическому потенциалу через мембрану носит название осмоса. Иначе говоря, осмос — это диффузия воды или другого растворителя через полупроницаемую перепонку, вызванная разностью концентраций или разностью химических потенциалов.

Это те свойства, которые при данных условиях и для данной группы тел оказываются равными и независимыми от их химической природы и большей или меньшей элементарной сложности. Таковы, напр.: равенство давлений газов (при данной температуре опыта), если они заключены в равные по объему приборы в равно молекулярных количествах; равенство давлений паров, т. е. температур кипения, и температур замерзания жидких изосмотических растворов, образованных данной жидкостью и любыми растворенными в ней телами и т. д. Коллигативными свойствами мы почти исключительно пользуемся для установления молекулярных весов.

Осмотическое давление разбавленных растворов. Представим себе два сосуда, расположенных один в другом (рис. Просм.). При этом пусть через дно внутреннего сосуда сделано из материала, сквозь который проходит растворитель, не может проходить растворенное вещество.

Такие материалы называются полупроницаемыми. По отношению к водным растворам такими свойствами обладают как некоторые естественные продукты растительного или животного происхождения (например, оболочка бычьего пузыря), так и материалы, полученные искусственно (пленка коллодия). Полупроницаемую перепонку можно получить, например, осаждая железистосинеродистую медь в порах неглазурованного фарфорового цилиндра.

Наружный сосуд наполним водой, а во внутренний поместим водный раствор, например, сахара.

Хотя вода может проникать через такую полупроницаемую перегородку в обе стороны, но скорость ее прохождения из наружного сосуда во внутренний будет больше, чем в обратном направлении. Это явление — самопроизвольный переход растворителя в раствор, отделенный от него полупроницаемой перепонкой, — называется осмосом. Оно играет важную роль в жизнедеятельности растительных и животных организмов.

Осмос можно объяснить, в частности, тем, что концентрация молекул воды в единице объема в наружном сосуде больше, чем во внутреннем, или тем, что молекулы воды в растворе частично связываются молекулами сахара, гидратируя их. Пока еще не выяснено, в какой мере те или другие причины играют здесь роль. В разбавленных растворах осмос не зависит в явной форме от вида растворенного вещества и растворителя. Решающее значение имеет концентрация раствора, точнее — число частиц растворенного вещества в единице объема раствора. Явление осмоса связано с тем, что всегда растворитель обладает большей способностью к выходу из чистой фазы, чем из раствора.

Рассмотрим, что происходит в приборе, изображенном на рисунке. Из наружного сосуда вода будет проходить во внутренний и подниматься по трубке, соединенной с внутренним сосудом. При этом будет повышаться гидростатическое давление, под которым находится раствор во внутреннем сосуде. Вследствие этого скорость перехода молекул воды из внутреннего сосуда в наружный увеличивается. Наконец, при некоторой высоте Н столба раствора в трубке скорости про­хождения воды из наружного сосуда во внутренний и из внутреннего в наружный сравняются, и подъем жидкости в трубке прекратится. Давление, которое отвечает такому равновесию, может служить количественной характеристикой явления осмоса. Оно называется осмотическим давлением. Таким образом, осмотическое давление равно тому давлению, которое нужно приложить к раствору, чтобы привести его в равновесие с чистым растворителем, отделенным от него полупроницаемой перепонкой.

Описанный метод дает возможность измерять осмотическое давление. При некотором усложнении установки оказывается возможным производить измерения осмотического давления с высокой точностью. Соответствующие измерения, произведенные для большого числа растворов различных веществ, при различных концентрациях и температурах, позволили найти зависимость осмотического давления от этих факторов. Для разбавленных растворов эта зависимость оказалась очень простой.

Влияние изменения коцентрации раствора можно в качественной форме легко представить. Очевидно, что когда концентрация равна нулю, то и осмотическое давление равно нулю. По мере растворения сначала небольших, потом все больших количеств растворяемого вещества будет увеличиваться различие в скоростях перехода воды через полупроницаемую перегородку в различных направлениях и, следовательно, будет возрастать осмотическое давление. Опытные данные позволяют установить, что в достаточно разбавленных растворах осмотическое давление π при постоянной температуре прямо пропорционально концентрации, растворенного вещества, т. е. (формула).

Сравнение осмотического давления одних и тех же растворов при различных температурах приводит к выводу, что осмотическое давление изменяется прямо пропорционально абсолютной температуре. Отношение осмотического давления к температуре для данного раствора постоянной концентрации действительно сохраняет постоянное значение. Таким образом (формула).

Что касается влияния вида растворенного вещества и растворителя, то оказалось, что в растворах, к которым применимо последнее уравнение, осмотическое давление совсем не зависит ни от вида растворенного вещества, ни от растворителя и коэффициент пропорциональности К в этом уравнении является универсальной постоянной, которая к тому же численно равна газовой постоянной R.

Таким образом, зависимость осмотического давления от концентрации и температуры может быть представлена соотношением (формула).

Это уравнение применимо к любым достаточно разбавленным растворам, за исключением растворов, в которых происходит электролитическая диссоциация. Последняя приводит к образованию в растворе большего числа частиц растворенного вещества и этим вызывает большее осмотическое давление. В разбавленных растворах, независимо от вида растворителя и от вида растворенного вещества, осмотическое давление, при данной температуре определяется только одной величиной — концентрацией молекул растворенного вещества (числом их в единице объема раствора), независимо от того, какие это молекулы и в какой среде они находятся.

Дата добавления: 2015-06-25