Физические свойства растворов
Идеальных растворов в природе нет, но многие из них приближаются по своим свойствам к идеальным. Показано, что свойства идеальных жидких растворов, аналогично свойствам газовых смесей, получаются сложением свойств компонентов, то есть являются аддитивными. Другими словами, свойства идеальных жидких растворов зависят только от концентрации растворенного вещества и природы растворителя и практически не зависят от природы растворенных веществ. Такие свойства обычно называют коллигативными (коллективными). К ним относятся понижение давления пара над растворами нелетучих веществ, изменение температуры кипения и замерзания, а также осмотическое давление.
Сущность явления осмоса. Осмотическое давление.
Осмос (от греч. ōsmós - толчок, давление), диффузия1 вещества, обычно растворителя, через полупроницаемую мембрану, разделяющую раствор и чистый растворитель или два раствора различной концентрации. Полупроницаемая мембрана - перегородка, пропускающая малые молекулы растворителя, но непроницаемая для более крупных (иногда за счет возникновения сольватной оболочки) молекул растворённого вещества. Выравнивание концентраций по обе стороны такой мембраны возможно лишь при односторонней диффузии растворителя, поэтому всегда идёт от чистого растворителя к раствору, или от разбавленного раствора к концентрированному. Осмос, направленный внутрь ограниченного объёма жидкости, называется эндосмосом, наружу - экзосмосом.
Перенос растворителя через мембрану обусловлен осмотическим давлением. Оно равно избыточному внешнему давлению, которое следует приложить со стороны раствора, чтобы прекратить осмос, т. е. создать условия осмотического равновесия.
Разбавленные растворы хорошо подчиняются законам идеальных газов (pV=nRT). Сходство разбавленных растворов с идеальными газами голландский химик Вант-Гофф выразил в виде закона:
Pосм = CМ·R·T**
где СМ − молярная концентрация раствора (число моль вещества на 1 л раствора); R − универсальная газовая постоянная; T − абсолютная температура.
Здесь подразумевается давление по отношению к чистому растворителю. Если же мембрана разделяет два раствора, то:
Pосм = Pосм 1 - Pосм 2 = (См 1 - См 2)RT
Таким образом, осмотическое давление идеального раствора равно тому давлению, которое оказывало бы растворенное вещество, если бы оно, находясь в газообразном состоянии при той же температуре, занимало бы тот же объем, который занимает раствор.
Осмос имеет большое значение для жизнедеятельности животных и растений. Процессы усвоения пищи, обмена веществ тесно связаны с избирательной проницаемостью стенок клеток живых организмов. Осмос обусловливает поднятие воды по стеблю растений, рост клетки и многие другие явления. В тканях растений, всасывающих воду из почвы, осмотическое давление достигает 5 — 20 атм (516,6—2066,5 кПа), а у некоторых растений пустынь и солончаков даже 170 атм (17 561 кПа).
Интересно также отметить явление плазмолиза и тургора в живых клетках. Если поместить клетку в раствор, концентрация которого равна концентрации клеточного сока, то состояние клетки не изменится, так как осмотическое давление в клетке и в растворе одинаково. Такие растворы, которые при одинаковых концентрациях и температуре обладают одинаковым осмотическим давлением, называют изотоническими. В крепких солевых растворах наблюдается сморщивание клеток (плазмолиз), обусловленное потерей воды, уходящей из клеток в более концентрированный внешний раствор. При этом осмотическое давление внешнего раствора выше, чем внутри клетки, и раствор называют гипертоническим. Если же поместить клетку в раствор, концентрация которого ниже концентрации клеточного сока, то происходит всасывание воды в клетку. Объем клетки увеличивается и клетка находится в состоянии напряжения (тургора). Это явление объясняется более низким осмотическим давлением внешнего раствора, который называют гипотоническим.
Осмотическое давление в крови, лимфе и тканях человека достигает 7,7 атм. (780,2 кПа). Организм человека обладает способностью поддерживать осмотическое давление на постоянном уровне. При изменении осмотического давления организм стремится восстановить его Так, при введении в организм с пищей большого количества растворимых веществ (сахар, соль) осмотическое давление изменяется. Потребностью организма привести осмотическое давление в норму обусловлено появляющееся при этом чувство жажды.
Широко известно применение больших концентраций сахара или солей для консервирования пищевых продуктов. В этих условиях из-за высокой концентрации раствора микроорганизмы подвергаются плазмолизу и погибают.
Превышение избыточного давления над осмотическим может привести к обращению осмоса («обратный осмос»). Тогда через полупроницаемую перегородку "выдавливается" чистый растворитель. Обратный осмос применяется для очистки сточных вод и опреснения морской воды.
В случаях, когда мембрана проницаема не только для растворителя, но и для некоторых растворённых веществ, диффузия последних из раствора в растворитель позволяет осуществить диализ, применяемый как способ очистки полимеров и коллоидных систем от низкомолекулярных примесей, например, электролитов.
Осмос широко используют в лабораторной технике: при определении молярных характеристик полимеров, концентрировании растворов, исследовании разнообразных биологических структур, как способ очистки.