7.17. Осмос

Осмос - явление самопроизвольного перехода растворителя через полупроницаемую мембрану, разделяющую два раствора или раствор и чистый растворитель. Причиной осмоса является различие химических потенциалов растворителя по обе стороны полупроницаемой мембраны и стремление системы к выравниванию его концентрации в растворах, находящихся по обе стороны полупроницаемой мембраны.

Явление осмоса впервые было описано в 1748 г. французским исследователем Нолле. Первые количественные измерения осмоса были осуществлены в 1877 г. немецким ботаником В.Пфеффером. На этих измерениях была основана теория осмотического давления, созданная позднее Я.Вант-Гоффом.

Явление осмоса можно продемонстрировать следующим образом. Для опыта необходимо изготовить сосуд, дно которого заменено полупроницаемой мембраной. Полупроницаемая мембрана – это перегородка или плёнка с мельчайшими порами, через которые могут диффундировать молекулы растворителя и не могут молекулы или ионы растворённого вещества. Если такой сосуд с раствором какого-либо вещества поместить в другой сосуд, заполненный чистым растворителем, как показано на рис. 7.13, то можно заметить, что через некоторое время уровень жидкости во внутреннем сосуде 1 повысится, а во внешнем 2 - понизится.

Аналогичное явление будет наблюдаться и тогда, когда во внешнем сосуде находится не чистый растворитель, а раствор того же вещества, что и во внутреннем сосуде, но с меньшей концентрацией. При осмосе растворитель всегда диффундирует в сторону раствора с большей концентрацией растворённого вещества.

Прибор, схематическое устройство которого показано на рис. 7.13, называется осмометром. В качестве мембран для осмометров используют различные природные и искусственные пленки (пергамент, плавательный пузырь рыб, целлофан и др.). Мембраны могут быть и неорганической природы, например, из тонких пластин неглазурованного фарфора, в порах которого осаждают гексацианоферрат (II) меди Cu₂Fe(CN)₆. Такие мембраны достаточно прочны и могут выдерживать высокие давления. Верхняя часть внутреннего сосуда осмометра обычно делается в виде узкой трубки, для того, чтобы поднятие уровня жидкости было более заметным. Для измерения высоты поднятия на трубку наносятся деления в виде вертикальной шкалы.

Рис. 7.13. Иллюстрация осмотического эффекта

7.17.1. Осмотическое давление

Высота поднятия жидкости во внутреннем сосуде осмометра не зависит от природы растворённого вещества, но зависит от его концентрации и от температуры, а именно: чем больше концентрация вещества и чем выше температура, тем выше поднимается уровень жидкости. Осмос продолжается не бесконечно, через какое-то время он останавливается. Если мембрана разделяет два раствора с различной, но не намного отличающейся концентрацией, осмос будет идти до практически полного выравнивания концентрации каждого из компонентов по обе стороны мембраны. Если же мембрана разделяет раствор и чистый растворитель или два раствора с сильно отличающимися концентрациями, осмос остановится из-за того, что ему будет препятствовать гидростатическое давление поднимающегося столба жидкости. При остановке осмоса в системе наступает динамическое равновесие, характеризующееся равенством скоростей диффузии растворителя через мембрану в обоих направлениях. Вообще осмос можно приостановить любым давлением, направленным противоположно ему. Очевидно, что давление, необходимое для остановки осмоса, равно по величине тому давлению, которое оказывают при диффузии через мембрану молекулы растворителя. Это избыточное гидростатическое давление, возникающее в результате осмоса, называется осмотическим давлением. Осмотическое давление обозначается буквой ; размерность его в системе СИ - Па, но на практике часто используется и внесистемная единица атм.

Если два раствора обладают одинаковым осмотическим давлением, их называют изотоническими. Когда осмотические давления растворов различны, тот раствор, у которого осмотическое давление больше, называется гипер­тони­ческим, тот у которого оно меньше - гипотоническим.

В 1887 г. Я.Вант-Гофф вывел уравнение, связывающее осмотическое давление раствора неэлектролита с его концентрацией:

 = CRT (7.4)

где С - молярная концентрация растворённого вещества.

Кажущееся сходство между этим уравнением и уравнением состояния идеального газа

pV = nRT

первоначально привело Вант-Гоффа к предположению о том, что осмотическое давление - результат ударов молекул растворённого вещества (ведущих себя так же, как молекулы в газовой фазе), о полупроницаемую мембрану. Позже выяснилось, что это объяснение ошибочно. И хотя многое в природе осмоса до сих пор ещё не ясно, все же твёрдо установлено, что осмос - результат неравенства химического потенциала растворителя по обе стороны полупроницаемой мембраны.