double arrow

Осмос и осмотическое давление.

Осмос и осмотическое давление.

Будет два раствора отдельные один от другого перегородкой, через которую могут проходить как молекулы растворителя, так и молекулы растворенного вещества. Если концентрации растворенного вещества по разные стороны перегородки различны, то начнется переход молекул из одного раствора в другой. Макроскопически он будет продолжаться до тех пор, пока концентрации обоих растворов не выровняются.

    Существуют перегородки, проницаемые для молекул растворителя, но непроницаемые для молекул растворенного вещества. Они называются полупроницаемыми. К ним относятся различные оболочки и ткани растительного и животного происхождения. Возможны и искусственно созданные полупроницаемые перегородки (пленки из железистосинеродистой меди [Cu2Fe(CN)6]). Они проницаемы для воды, но непроницаемы для многих растворенных веществ, например сахара.

    Когда раствор отделен от чистого растворителя полупроницаемой перегородкой, то через нее молекулы чистого растворителя переходят в область занятую раствором. Это явление называют осмосом. В результате осмоса возникает разность давлений между раствором и чистым растворителем. Когда она достигает определенного значения, то осмос прекращается. Разность давлений, при которой осмос прекращается, называется осмотическим давлением.

    Осмос происходит также в тех случаях, когда полупроницаемая перегородка разделяет два раствора различной концентрации. Если, например, животный пузырь, наполненный спиртом, крепко завязать и опустить в воду, то он начнет раздуваться и даже может лопнуть под действием сил осмотического давления. Если же пузырь наполнить водой и опустить в спирт, то, наоборот, он будет сжиматься. Дело в том, что стенки пузыря проницаемы для воды, но непроницаемы для спирта.

    Подобны явления набухания и разрыва оболочки наблюдается при погружении в воду семян растений, фруктов и овощей. Ими же объясняются «оживление» увядших цветов, опущенных в воду.

    Механизм осмоса и действия полупроницаемой перегородки нельзя считать полностью выясненным. Согласно одной из точек зрения прохождение молекул растворителя через полупроницаемую перегородку осуществляется путем предварительного растворения их в материале перегородки. Этот процесс имеет тенденцию к насыщению по отношению к чистому растворителю. Однако еще до достижения этого насыщения раствор жидкости оказывается перенасыщенным по отношению к раствору, находящемуся по другую сторону перегородки (так как последний объединен растворителем благодаря присутствию растворенного вещества).

Тогда перегородка начнет отдавать в жидкий раствор часть растворенной в ней жидкости, растворяя при этом новые порции чистой жидкости. Растворенного вещество не проникает из жидкого раствора через перегородку, т.к. оно не растворяется в ней. Таким образом, свойство полупроницаемости обусловлено не размерами пор перегородки, а различной растворимостью в ее материале соприкасающихся с ней веществ. Приборы, служащие для измерения осмотического давления, называются осмометрами.

    Конструкция осмометра, предложенная Пфафером в 1877 г. имеет следующий вид. В порах глиняного сосуда осаждена железистосинеродистая медь. Сосуд наполняют водным раствором исследуемого вещества. Например сахара.

Горло сосуда заткнуто плотно пригнанной пробкой с отверстием, которое вставлена длинная вертикальная трубка. Если сосуд погрузить в чистую воду, то она начнет проникать внутрь сосуда через полупроницаемые  стенки. Когда уровень жидкости в трубке достигнет определенной высоты, дальнейшее проникновение воды в сосуд прекращается, так как этому будет препятствовать гидростатическое давление столба жидкости в трубке. Вес этого столба между уровнями АВ и С и будет служить мерой осмотического давления.

,

где ρ – плотность раствора, h – высота указанного столба жидкости.

    Происхождение осмотического давления нетрудно понять. Так как растворитель может свободно проходить через полупроницаемую перегородку, то в состоянии равновесия число молекул растворителя, ударяющихся о перегородку с противоположной стороны должны быть одинаковы. Эти удары, уравновешивая друг друга, не будут оказывать никакого давления на перегородку. Но удары о перегородку растворимого вещества никакими противоположно направленными молекулярными ударами не уравновешиваются. Они и приводят к возникновению осмотического давления.

Для разбавленных растворов нетрудно вычислить и величину осмотического давления. Согласно теореме о равномерном распределении кинетической энергии по степеням свободы, скорость теплового движения молекул зависит только от температуры. При одной и той же температуре она одинакова для жидкостей и для газов. Кроме того, если раствор слабый, то число ударов молекул растворенного вещества о стенку сосуда будет таким же, как и для идеального газа с той же концентрацией молекул. Поэтому будет таким же и давление молекул растворенного вещества, т.е. осмотическое давление. Таким образом:

,                                   (1)

где N и ν – числа молекул и молей растворенного вещества соответственно в объеме раствора V. Формула (1) показывает, что осмотическое давление в слабых растворах подчиняется тем же законам, что и давление идеальных газов.

Этот закон был установлен Ван Гоффом на основе опытов Пфеффера.

Величина осмотического давления слабых растворов не зависит от природы растворителя и растворенных веществ, а только от молярной объемной концентрации последних. Например, если в литре раствора содержится 1 моль растворенного вещества, то по формуле (1) осмотическое давление при 150С будет равно:

Т.о. видно, что осмотическое давление довольно значительное. Однако стенки сосуда, содержащего раствор, его не воспринимают. Дело в том, что осмотическое давление действует и на свободную поверхность жидкости. Это приводит к растяжению жидкости. Возникающие силы натяжения компенсируют осмотическое давление. На стенки сосуда действует только гидростатическое давление.

    Формула (1) служит для определении таких химических соединений, которые не могут быть получены в газообразном состоянии, например белков и полимеров.

    Осмос играет важную роль в жизнедеятельности животных и растений. Обмен веществ в организме осуществляется посредством соков и крови – растворов, омывающих полупроницаемые перегородки растительных и животных клеток. Величина осмотического давления клеток многих растений составляет 5-20 атм. Только благодаря этому вода из почвы может поступать на большую высоту по стволам деревьев (например, эвкалиптов). Величина осмотического давления крови человека составляет 7,6-7,9 атм. Однако разность осмотических давлений крови и лимфы, имеющая значение для перехода воды между ними, составляет всего 0,03-0,04 атм. Вообще, благодаря наличию сложных механизмов регулирования, клетки обладают лишь незначительно повышенным или равным осмотическим давлением по отношению к омывающим или внутренним жидкостям организма. Падение осмотического давления в клетках, например, при обезвоживании организма, приводит к их коллапсу. Обессоливание организма может повести к набуханию и разрыву клеток (осмотический шок).

 

Понижение точки замерзания раствора и повышение точки его кипения.

По закону Рауля: относительное понижение давления насыщенного пара растворителя над поверхностью слабого раствора нелетучего вещества равно отношению числа молей растворенного вещества к числу молей растворителя:

                                           (1)

ν′ - число молей растворенного вещества

ν – число молей растворителя

р′ - давлении насыщенного пара раствора

        

 

По уравнению Клапейрона-Клаузиуса, если пренебречь удельным объемом жидкости по сравнению с удельным объемом пара:

                                   (2)

где q12 – удельная теплота испарения,

μ – молекулярный вес молекул растворителя

Почленным делением получаем (1 делим на 2)

                                               (3)

т.к. между р′ и р различные очень мало, то приближенно можно считать:

                                          (4)

Этот результат можно также представить в виде:

                                                    (5)

т.о. точка кипения раствора повышается на величину равную правой части уравнения (5).

    Аналогично можно показать, что температура замерзания раствора понижается.

    Из уравнения Клапейрона-Клаузиуса для возгонки и испарения следует, что для Т замерзания имеет место соотношение:

                                   (6)

или                       , по другому через росм. получаем:

Т.о. понижение температуры замерзания зависит только от числа молей растворенного вещества, приходящихся на единицу объема, и не зависит от химической природы растворителя.

 



Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:  



Сейчас читают про: