III.2. Осмос. Лабораторная работа №2.

Сравнение расчетного и экспериментального осмотического давления. Наблюдение диффузии через полупроницаемую мембрану

Осмос представляет собой своеобразную форму диффузии и наблюдается, когда тела (чаще – жидкости или газы) приходят во взаимодействие через т.н. полупроницаемые перегородки. Первые опыты по осмосу принадлежат Нолле, который в 1748 г заметил, что при погружении в воду стеклянной трубки, закрытой с одного конца полупроницаемой перегородкой (стенка желчного пузыря свиньи) и заполненной водным раствором сахара, в ней происходит увеличение объема раствора сахара. Полупроницаемая перегородка имеет следующее свойство: она пропускает только определенные частицы в растворе и задерживает другие (чаще всего те, которые имеют больший размер).

Явление проникновения растворителя через полупроницаемую перегородку в раствор получило название осмоса, а силу, заставляющую растворитель переходить через полупроницаемую перегородку, отнесенную к площади поверхности этой перегородки, назвали осмотическим давлением. Осмотическое давление можно также определить как давление, которое необходимо приложить к раствору для предотвращения проникновения растворителя в раствор через полупроницаемую перегородку. Схема простейшего прибора для наблюдения осмоса представлена на рис. 3.

Рис. 3. Простейшая установка для наблюдения осмоса.

Сосуд 1 с исследуемым водным раствором закрыт внизу полупроницаемой перегородкой и помещен в сосуд 2, заполненный водой. Вода из сосуда 2 вследствие осмоса будет проникать в сосуд 1 и уровень жидкости в этом сосуде поднимется на некоторую высоту h, при которой осмос прекратится, в системе установится равновесие. Гидростатическое давление в сосуде 1, пропорциональное высоте h, по абсолютной величине будет равно осмотическому давлению (следует учитывать, что измеренное давление будет относиться не к исходному, а к разбавленному за счет осмоса раствору). В 1877 г. Пфеффер сконструировал специальный прибор для измерения осмотического давления (с перегородкой из ферроцианида меди) — и с достаточной точностью измерил осмотическое давление водных растворов сахара в широкой области концентраций и температур. Данные Пфеффера послужили экспериментальной основой открытого Вант-Гоффом (1887) закона осмотического давления.

Вант-Гофф показал, что осмотическое давление  в разбавленных растворах подчиняется уравнению

 = СRT. (III.2.1)

Заметим, что в таком виде уравнение (III.2.1) совпадает по форме с известным законом идеальных газов. Позднее было показано, что для широкой области концентраций растворов (но также только в случае идеальности последних) более корректно пользоваться соотношением

, (III.2.2)

где x – молярная доля растворенной примеси, а - молярный объем растворителя. Заметим, что выражение (III.2.2) наглядно показывает, что осмос относится к коллигативным свойствам растворов: величина показывает зависимость свойства () от природы растворителя, а x – от концентрации примеси. Вывод соотношений (III.2.1) и (III.2.2) из базовых соотношений термодинамики дан в приложении 1.

Уравнение Вант-Гоффа показывает, что осмотическое давление равно давлению, которое производило бы растворенное вещество, если бы оно в виде идеального газа занимало тот же объем, что и в растворе при той же температуре. Уравнение (III.2.1) корректно отражает зависимость осмотического давления от концентрации и температуры для широкого круга разбавленных растворов неэлектролитов. Идеальный раствор, содержащий 1 моль растворенного вещества в 22,4 л, имеет при 0°С осмотическое давление 1,01310⁵ Па (1 атм). Универсальная газовая постоянная R, рассчитанная из данных по осмотическому давлению раствора, хорошо совпадает с величиной, полученной при изучении газов.

Подчеркнем, что даже разбавленные растворы способны развивать огромное осмотическое давление. Именно благодаря этому факту растения, в корнях которых находятся не слишком концентрированные растворы солей и аминокислот способны разрушать камни и взламывать асфальт, развивая при этом давление в десятки и сотни превосходящее атмосферное.

Экспериментальная часть. Лабораторная работа №2. Сравнение расчетного и экспериментального осмотического давления

Основной задачей настоящей работы является оценка осмотического давления по методике Пфеффера.

Оборудование и реактивы: воронка Шотта, трубка стеклянная или кварцевая длиной 2 – 2,5 м, эксикатор, пентагидрат сульфата меди (2+) (медный купорос), гексацианоферрат (3+) калия (красная кровяная соль), гексацианоферрат (2+) калия (желтая кровяная соль) – все в количестве нескольких граммов, вода дистиллированная – не менее 1 л, раствор сахарозы концентрацией 510^‑3 М – 200 мл.

Ход работы

1. Подготовительные работы. (Выполняются студентами только при проведении отладочных работ. Если работа уже подготовлена, познакомиться с содержанием и перейти к части “2”.) Воронка Шотта представляет собой обычную керамическую воронку с плоским фильтром из спеченного порошка стекла (фильтр Шотта). Поры в фильтре Шотта недостаточно малы для того, чтобы наблюдать осмотические явления. По этой причине на фильтре необходимо осадить вещество, обладающее свойствами полупроницаемой мембраны. Такими веществами являются ферроцианиды меди. Для их осаждения в воронку Шотта наливают 5-10 мл, раствора, 10 % как по красной, так и по желтой кровяным солям. Жидкости дают стечь через фильтр. Воронку переворачивают и через узкий конец заливают 5% раствор медного купороса. На поверхности фильтра образуется смесь малорастворимых солей Cu₂[Fe²⁺(CN)₆] и KCu[Fe³⁺(CN)₆]. Для удаления растворимых в воде солей фильтр погружают в дистиллированную воду и выдерживают несколько часов. (Внимание! Нельзя допускать полного высыхания изделия! Хранить в воде!) После этого широкую часть воронки срезают (при помощи дискового резака) по поверхность фильтра. Оставшуюся нижнюю часть воронки смачивают водостойким клеем (или герметиком) и вводят в подогнанную длинную (2 – 2,5 м) стеклянную трубку.