Что такое осмос?

Осмос – это односторонняя диффузия молекул растворителя через полупроницаемую мембрану при условии разности концентраций раствора по обе стороны мембраны. При разделении двух растворов различной концентрации или раствора и чистого растворителя полупроницаемой перегородкой (мембраной) возникает поток растворителя от меньшей концентрации вещества к большей, что приводит к выравниванию концентраций. Возникновение потока обусловлено тем, что число ударов молекул растворителя о мембрану со стороны более разбавленного раствора (или чистого растворителя) будет больше, чем со стороны более концентрированного раствора. Это избыточное число ударов и является причиной перемещения растворителя через поры мембраны туда, где молекул меньше. Подобное объяснение является кинетической трактовкой причины осмоса.

Существует еще и термодинамическое объяснение осмотического переноса. Химический потенциал чистой жидкости μ₂ превышает химический потенциал той же жидкости в растворе μ₁. Процесс идет самопроизвольно в сторону меньшего химического потенциала до тех пор, пока не произойдет выравнивание химических потенциалов, т. е. до достижения условия μ₁₌μ₂. В результате перемещения жидкости в той емкости, куда она перемещалась, создается избыточное давление P, которое и называется осмотическим. Осмос характерен не только для истинных, но и для коллоидных растворов.

В данном случае, если коллоидный раствор отделен от дисперсионной среды полупроницаемой мембраной, не пропускающей коллоидные частицы, возникает односторонняя диффузия молекул дисперсионной среды в коллоидный раствор, т. е. осмос. Подобно броуновскому движению и диффузии, осмос является самопроизвольным процессом. Переход растворителя в коллоидный раствор будет происходить до тех пор, пока постоянно возрастающее гидростатическое давление жидкости не воспрепятствует этому. Высота подъема жидкости относительно первоначального уровня раствора количественно определяет величину осмотического давления. Таким образом, осмотическое давление можно рассматривать как такое избыточное давление над раствором, которое необходимо для исключения переноса растворителя через мембрану. Осмотическое давление равно тому давлению, которое производила бы дисперсная фаза (растворенное вещество), если бы она в виде газа при той же температуре занимала тот же объем, что и коллоидная система (раствор).

Осмотическое давление не есть проявление внешнего воздействия. Оно возникает самопроизвольно, как следствие молекулярно-кинетических свойств дисперсионной среды.

Равновесное осмотическое давление для растворов неэлектролитов рассчитывают на основании закона Вант-Гоффа по уравнению:

,

где с – молярность раствора.
Для коллоидных систем можно записать

.

Таким образом, π пропорционально числу частиц растворенного или диспергированного вещества в единице объема раствора и не зависит от природы и массы частиц. При 273 К для 1М раствора любого вещества π =1000 моль/м³∙8,314 Дж/мольК∙273 К = 2,27∙10⁶ Па (2,27 МПа).

Давайте еще раз сопоставим осмотические давления истинных растворов и коллоидных систем. Расчеты показывают, что в лиофобных золях вследствие их низкой агрегативной устойчивости и больших размеров частиц частичная концентрация (число частиц в единице объема!) обычно на 5-6 порядков меньше, чем в истинных растворах при той же массовой доле. Масса одной частицы золя может быть найдена простым расчетом. Допустим: диаметр частицы d = 10^-8 м, плотность вещества частицы ρ = 2∙10⁴кг/м³. В предположении сферической формы объем частицы V = πd³/6 ≈ 5∙10^-23 м³, масса частицы m = Vρ = 5∙10^-23∙2∙10⁴ = 10^-20 кг. При массовой доле золя около 0,5 % в 1 л содержится 5∙10^-3 кг частиц или c_ν = 5∙10^-3/(10^-20∙6∙10²³) ≈ 10^-6 моль частиц/дм³. Таким образом, концентрация частиц в золе меньше, чем в 1 М растворе в 10⁶ раз. Следовательно, осмотическое давление также должно быть ниже в 10⁶ раз: Π = 2,27 Па.

Как уже упоминалось, такая малая величина осмотического давления с трудом поддается измерению. Помимо этого, осмотическое давление, создаваемое коллоидными частицами, маскируется или искажается присутствующими в золях электролитами. Причем, даже небольшая концентрация электролита значительно влияет на величину Π. (Как Вы думаете, присутствие электролитов понижает или повышает осмотическое давление?)

Есть еще одно обстоятельство, которое препятствует использованию измерений осмотического давления для характеристики золей. Оно связано с термодинамической неустойчивостью золей. (Сформулируйте, к чему приводит термодинамическая неустойчивость золей. Как она сказывается на величине осмотического давления.)

В заключении следует отметить, что осмотические явления обнаруживаются не только при наличии мембраны, препятствующей диффузии растворенных и диспергированных веществ. Подобные явления обнаруживают и в других системах, имеющих ограничения для свободного перемещения коллоидных частиц или макромолекул полимеров, например, в гелях, студнях, ионообменных адсорбентах, где частицы взаимно фиксированы в виде ажурной пространственной сетки.

Дата добавления: 2014-01-04