Выполнить вопросы №25 из теста

Осмос.

Лабораторная работа №3.

Осмос.

Если система, разделенная мембраной, представляет собой растворы, в которых через мембрану способны проходить только молекулы растворителя, то свойства ее будут определяться разностью мольных долей (концентраций) растворителя по обе стороны мембраны.

Явление, связанное со способностью проходить через мембрану, в частности, только молекул растворителя, называется осмосом, а вызываемое им изменение давления по обе стороны мембраны – осмотическим давлением. Явление осмоса чрезвычайно разнообразно и во многом определяется природой мембраны и компонентов раствора.

Цели:

1. Изучить понятие «осмос».

2. Наблюдать явление в ходе лабораторной работы.

3. Вычислить осмотическое давление (Р).

Модель 6.3. Осмос. Эта модель демонстрирует явление осмоса как в мелком, так и в крупном масштабе. Вы видите неподвижные стакан и трубку с водой за пористой перегородкой в левом окне, а в правом окне, в крупном масштабе – движение молекул воды в стакане. Затем трубка начинает опускаться в стакан, в результате чего молекулы воды из стакана могут переходить в трубку сквозь пористую перегородку. Однако их обратное проникновение затруднено наличием растворенного вещества (схематически показанного в модели розовыми образованиями оваль ной формы), не проникающего через пористую перегородку. В результате молекулы воды реже проходят в обратном, нежели в прямом направлении. Это и создает суммарный поток молекул воды, направленный в трубку, и уровень воды в ней начинает повышаться. Он повышается до тех пор, пока избыточное давление воды в трубке не уравняет потоки молекул в ту и в другую сторону. Это избыточное давление и называется осмотическим давлением.

Представим, что сосуд с двумя горлами для залива раствора разделен мембраной M (рис. 6.4). В каждую часть сосуда зальем растворы, отличающиеся только концентрацией. Поскольку мольные доли растворителя по обе стороны мембраны не совпадают, то стремление их к выравниванию приведет к переходу части растворителя в ту часть сосуда, где концентрация растворенного вещества больше. Увеличение количества растворителя эквивалентно возрастанию давления, и если мембрана способна к деформации, она изогнется в сторону с меньшей концентрацией растворенного вещества (рис. 6.4а).

Если мембрана жесткая, то в отсеке с большей концентрацией количество растворителя будет возрастать до тех пор, пока гидростатическое давление h (рис. 6.4б) не станет равным осмотическому давлению и не прекратит осмос.

Рисунок 6.4. Схема разности осмотических давлений при χ₁ < χ₂ при эластичной (а) и жесткой (б) мембранах.

Осмотическое давление π – внутреннее давление растворенного вещества, численно равное тому внешнему давлению, которое нужно приложить, чтобы прекратить осмос; оно зависит от температуры и концентрации.

Эту зависимость Вант-Гофф уподобил поведению идеального газа:

По Вант-Гоффу осмотическое давление раствора численно равно тому газовому давлению, которое имело бы растворенное вещество, будучи переведенным в газообразное состояние в том же объеме и при той же температуре. Поскольку объем (разбавление) обратно пропорционален концентрации, то закон Вант-Гоффа можно записать в виде

Так как объем одного моля газообразного вещества при нормальных условиях равен 22,4 литра, то осмотическое давление раствора, содержащего 1 моль вещества, равно 22,4 атм.

Измерение осмотического давления раствора используется для определения молекулярных масс даже разбавленных растворов, что позволяет оценивать молекулярные массы растворимых высокомолекулярных соединений, в частности, биополимеров. Заменив C(B) в формуле Вант-Гоффа соотношением (m(B) ∙ 1000 / μ(B) ∙ V), получим уравнение, позволяющее вычислять молекулярные массы растворенных веществ:

m(B) – масса растворенного вещества, V – объем раствора.

Если растворы характеризуются одинаковыми осмотическими давлениями, то по Вант-Гоффу такие растворы называются изотоническими. Независимо от природы растворенного вещества, изотоничность является следствием одинакового числа частиц в растворе.

Поскольку при растворении реальное число частиц может отличаться от числа растворенных молекул, Вант-Гофф ввел понятие изотонического коэффициента i. По определению это отношение числа всех частиц к числу растворенных молекул:

(6.1)

В бензольном растворе уксусной кислоты i < 1, ибо в этом растворе число частиц меньше числа молекул, в результате реакции ассоциации в соответствие с уравнением

Если же в растворе преобладает не ассоциативный, а диссоциативный или ионизационный механизмы взаимодействия, то i > 1. Так, в водном растворе уксусная кислота диссоциирует CH₃COOH = CH₃COO^– + H⁺, и число частиц становится больше числа молекул.

Модель 6.4. Полунепроницаемая мембрана.

Моделируется процесс возникновения осмотического давления в системе с полупроницаемой перегородкой. Перегородка, разделяющая сосуд на две половины, проницаема для одного из газов и непроницаема для другого. Модель позволяет продемонстрировать закон Дальтона для смеси газов.

Если в сосуде находится смесь газов, то каждый из них вносит свой вклад в общее давление. Парциальным давлением называют давление одного из газов при условии, что все остальные удалены из сосуда. Экспериментально установленный закон Дальтона утверждает: давление в смеси химически невзаимодействующих газов равно сумме их парциальных давлений:

P = P1 + P2 +...

При этом парциальное давление каждого из газов подчиняется в случае достаточно разреженных газов уравнению состояния идеального газа:

P1V = (m1/μ1)RT; P2V = (m2/μ2)RT;...,

где V – объем смеси, T – абсолютная температура, m₁, m₂,... – массы различных газов в смеси, μ₁, μ₂,...– их молярные массы.

Примером газовой смеси является воздух, состоящий из азота, кислорода, углекислого газа и других газов.

Иллюстрацией закона Дальтона может служить процесс диффузии газа через полупроницаемую перегородку (мембрану). Пусть в начальный момент два разных газа занимают две половины сосуда, разделенные полупроницаемой мембраной. Температуры обоих газов и их начальные давления одинаковы. Мембрана полностью непроницаема для одного из газов и частично прозрачна для другого. В процессе диффузии газа через полупроницаемую перегородку давление в одной половине сосуда возрастает в соответствии с законом Дальтона, а в другой – падает. Это явление носит название осмоса.

Дата добавления: 2014-12-27