8.8. Осмос. Осмотическое давление
Явление
проникновения растворителя в раствор
через пористую перегородку (мембрану),
непроницаемую для растворённого вещества
и отделяющую раствор от чистого
растворителя, называетсяосмосом.
Через мембрану осуществляется обмен молекулами растворителя, находящегося по обе стороны от мембраны. В результате преимущественного движения молекул растворителя в сторону раствора равновесие в системе растворитель - мембрана - раствор поддерживается с помощью осмотического давления (рис.8.5), производимого растворённым веществом в растворе. Осмотическое давление можно измерить с помощью гидростатического давления раствора, поскольку подъём уровня жидкости раствора будет происходить до тех пор, пока гидростатическое давление, равное ρgh, не окажется равным осмотическому.
Это явление было открыто в середине 19 века. Количественное исследование осмоса проводил ботаник Пфеффер в 1877 году. А первый нобелевский лауреат по химии Якоб Хендрик Вант-Гофф (1852-1911; премия 1901 года за вклад в термодинамику и химию) вывел простое уравнение, аналогичное уравнению состояния идеального газа:
(8-29)
Здесь Рос – осмотическое давление, V – объём раствора, ν- число молей молекул растворённого вещества, R – универсальная газовая постоянная, Т- абсолютная температура. Осмотическое давление не зависит от вида мембраны или от рода растворителя. Закон Вант-Гоффа не справедлив для электролитов.
Осмотическое давление играет большую роль в жизни животных и растений. Различают статический и динамический методы измерения осмотического давления. Статический метод основан на измерении избыточного гидростатического давления по высоте столба жидкости раствора. Динамический метод заключается в измерении скоростей всасывания и выдавливания растворителя из осмотической ячейки при различных значениях избыточного давления. В качестве мембран обычно применяют плёнку из целлофана, природных и синтетических полимеров, пористые керамические и стеклянные перегородки. Осмотическое давление может достигать значительной величины. Например, 4%-ный раствор сахара при комнатной температуре имеет осмотическое давление около 0,3 МПа, а 10%-ный – около 10 МПа. Осмотическое давление морской воды составляет 0,27 МПа.
Осмотическое давление необходимо учитывать и в медицине, например, при вливании в вены раствора поваренной соли (физиологический раствор), необходимо рассчитывать концентрацию соли в растворе, чтобы воспрепятствовать разбуханию красных кровяных телец и разрыву их оболочек. Известно, что давление внутри красных кровяных шариков равно 0,8 МПа, а также то, что кровь является электролитом, поэтому формула Вант-Гоффа даёт большие погрешности при расчётах и завышенное количество требуемой поваренной соли. Потому для расчёта концентрации поваренной соли используется адаптированная для электролитов формула Вант-Гоффа, где учитывается поправка к осмотическому давлению за счёт электрических сил. Осмотическое давление должно быть равно 0,7 МПа, поскольку вместе с внешним давлением оно должно уравновешивать давление внутри красных кровяных телец. В результате рассчитанная концентрация поваренной соли в физиологическом растворе должна быть равна 8,9 г/л.