Осмотическое давление

Осмос (от греч. osmos- толчок, давление)- диффузия вещества (обычно растворителя) через полупроницаемую перегородку (мембрану), разделяющую чистый растворитель и раствор или два раствора различной концентрации, и проницаемую только для растворителя.

Полупроницаемые мембраны представляют собой стенки тканей животных и растений, искусственные органические мембраны - желатин, целлофан, осадочные мембраны, например, Cu₂[Fe(CN)₆].

Сила (на единицу площади) π, заставляющая растворитель переходить через полупроницаемую мембрану в раствор, находящийся при том же внешнем давлении, что и растворитель, называется осмотическим давлением.

На рис. 2 показан простейший прибор для измерения осмотического давления. В сосуде 1, закрытом снизу полупроницаемой мембраной, находится водный раствор какого-нибудь вещества. В сосуд 2 залита вода. В результате осмоса растворитель из сосуда 2 поступает в сосуд 1.

Рис. 2. Простейший прибор для измерения осмотического

давления: 1- внутренний сосуд; 2 - внешний сосуд

Уровень раствора в сосуде 1 повышается. При этом создаётся дополнительное давление, которое препятствует осмосу. При некоторой высоте h столба жидкости это гидростатическое давление равно осмотическому давлению, и осмос прекращается. Т.е. устанавливается равновесие между раствором данной концентрации и чистым растворителем. Знак гидростатического давления противоположен знаку осмотического давления. Увеличивая извне давление в сосуде 1, можно заставить воду переходить из сосуда 1 в сосуд 2. При этом концентрация раствора в сосуде 1 будет возрастать до тех пор, пока не достигнет значения, соответствующего увеличенному давлению. Поэтому осмотическое давление можно определить, как дополнительное давление, которое необходимо приложить к раствору, чтобы предотвратить поступление в него (или удаление из него) растворителя через полупроницаемую мембрану.

Значение p зависит от состава растворов, разделённых мембраной, и температуры.Для разбавленных растворов справедливо уравнение Вант Гоффа для осмотического давления (1887):

p=cRT, (22)

где с - молярная концентрация раствора.

Сходство уравнения (22) с уравнением Клапейрона-Менделеева чисто формальное, так как осмотическое давление не связано с ударами частиц о стенки мембраны. Оно обусловлено различием значений химического потенциала растворителя по обе стороны полупроницаемой перегородки. Выведем уравнение (22). Пусть осмос протекает равновесно, т.е. разность между осмотическим и внешним давлением будем считать бесконечно малой. В этом случае осмотическое давление совершает работу

dA=pdV=p V dn₁, (23)

где V - парциальный молярный объём растворителя, dn₁- количество вещества растворителя, перешедшее в более концентрированный раствор в результате осмоса. В результате осмоса изменение энергии Гиббса

dG=(m₁-m^°)dn₁=(RTlnN₁)dn₁=RTln(1-N₂)dn₁»-RTN₂dn₁, (24)

где m^°, m₁ - химические потенциалы растворителя чистого и в растворе.

Поскольку для равновесного процесса -DG=dA, то из (23,24) следует

p=(N₂/ V)RT (25)

Поскольку V»V/n₁, где V - объём раствора, а для разбавленных растворов N₂»n₂/n₁, то из (25) получаем (22).

Измеряя осмотическое давление раствора, содержащего определённую массу вещества, можно определить молекулярную массу этого вещества.

Осмос играет огромную роль в растительных и животных организмах, способствуя оводнению клеток и межклеточных структур. Если растительная клетка помещена в концентрированный раствор соли или сахара, то наблюдается осмотическое всасывание воды из клетки во внешний раствор – экзоосмос. При этом протоплазма начинает отставать от стенок целлюлозной оболочки (сморщиваться) и уменьшается в объёме (плазмолиз). Плазмолиз - обратимый процесс. Если концентрация соли, сахара в клетке больше, чем во внешнем растворе, то происходит осмотическое всасывание воды в клетку из внешнего раствора – эндоосмос. Состояние осмотического напряжения клетки, обусловленное повышенным осмотическим давлением, называется тургор (от позднелат. turgor - вздутие, наполнение). Тургор поддерживает листья и стебли, придавая растениям прочность и устойчивость. Увядание растения связано с уменьшением тургора. Осмос свойственен и животным тканям и клеткам. Эритроциты уменьшаются в объёме в результате экзоосмоса. В результате эндоосмоса наблюдается увеличение объёма эритроцитов, они разрываются, во внешнюю среду выделяется гемоглобин, и раствор окрашивается в красный цвет (гемолиз). Раствор с осмотическим давлением, равным осмотическому давлению клеток и тканей называется изоосмотическим или изотоническим. Такие растворы называют ещё физиологическими. Раствор с большим осмотическим давлением, чем внутри клетки называется гипертоническим, а с меньшим – гипотонический. Осмотическое давление в растениях изменяется от 5 до 20 атм. В растениях пустынь и засолённых почв - 50-100 атм. Корни всегда имеют более низкое осмотическое давление, чем наземные части растения, например, листья. У морских рыб осмотическое давление равно осмотическому давлению морской воды за счёт выделения мочевины, образующейся в результате распада белковых веществ. Осмотическое давление в крови человека при нормальной температуре 7,7-8,1 атм.

Дата добавления: 2014-01-07