3. Осмос и осмотическое давление.
Если привести в соприкосновение раствор и растворитель или два раствора с различными концентрациями, то в системе начнет протекать процесс диффузии, приводящий к выравниванию концентраций этих растворов. Процесс диффузии протекает самопроизвольно, так как он сопровождается возрастанием энтропии системы, и носит двусторонний характер: выравнивание концентраций достигается за счет диффузии молекул растворенного вещества и растворителя.
Иначе протекает процесс выравнивания концентраций, если растворитель и раствор отделить друг от друга мембраной, проницаемой для молекул растворителя, но непроницаемой для молекул растворенного вещества (полупроницаемая мембрана). Схема подобного эксперимента приведена на рис. 44.
В сосуд 1 с чистым растворителем погружен заполненный раствором сосуд 2, дно которого является полупроницаемой мембраной (3). В такой системе уменьшение разности концентраций в сосудах 1 и 2 может осуществляться только за счет проникновения растворителя из сосуда 1 в сосуд 2. Объем раствора в сосуде 2 при этом увеличивается, и уровень жидкости в градуированной трубке 4 поднимается.
Рис. 44. Осмометр: 1 – сосуд с растворителем; 2 – сосуд с раствором; 3 – полупроницаемая мембрана;
4 – градуированная трубка
Самопроизвольный переход растворителя через полупроницаемую мембрану, разделяющую раствор и растворитель или два раствора с различной концентрацией называется осмосом. Осмос можно рассматривать как одностороннюю диффузию растворителя через полупроницаемую мембрану. В качестве полупроницаемых мембран используют пленки из природных и синтетических полимеров (оболочка мочевого пузыря животных, пленки из нитроцеллюлозы и т.д.). Очень прочные полупроницаемые перегородки получают из пористого фарфора, обработанного последовательно растворами CuSO4 и K4[Fe(CN)6]; в порах фарфора при этом осаждается гексацианоферрат меди Cu2[Fe(CN)6], придающий материалу свойство полупроницаемости.
Столб жидкости в трубке 4 оказывает на раствор в сосуде 2 внешнее (гидростатическое) давление, препятствующее осмосу: под действием внешнего давления растворитель просачивается через мембрану из сосуда 2 в сосуд 1 (обратный осмос). При определенной высоте столба жидкости h в системе устанавливается динамическое равновесие, после чего объем раствора перестает изменяться.
Мера стремления системы растворитель - полупроницаемая мембрана - раствор к равномерному распределению растворенного вещества называется осмотическим давлением раствора. Осмотическое давление равно внешнему давлению, которое необходимо приложить к раствору, чтобы привести его в равновесие с чистым растворителем, отделенным от раствора полупроницаемой мембраной.
В середине XIX столетия было установлено, что осмотическое давление растворов прямо пропорционально абсолютной температуре и обратно пропорционально разбавлению раствора. Г. Вант-Гофф обратил внимание на аналогию этих закономерностей с газовыми законами Гей-Люссака и Бойля-Мариотта и сформулировал закон, позволяющий теоретически рассчитывать осмотическое давление.
Осмотическое давление раствора равно давлению, которое оказывало бы растворенное вещество, находящееся в газообразном состоянии и занимающее объем, равный объему раствора (Вант-Гофф, 1887 г.).
В соответствии с законом Вант-Гоффа для расчета осмотического давления можно использовать уравнение состояния идеального газа, которое применительно к осмотическому давлению примет вид
,
где - осмотическое давление в Па, С - концентрация растворенного вещества в моль/м3. Если концентрацию выражать в моль/л, то уравнение приобретет следующий вид.
Следует отметить, что хотя осмотическое и газовое давление подчиняются одному и тому же уравнению с одинаковым значением постоянной R, механизм их не имеет ничего общего: давление газа - результат соударения молекул газа со стенками сосуда, тогда как осмотическое давление проявляется в системе из двух растворов, разделенных полупроницаемой мембраной.