Лекция 3
Диффузия и осмос
Как известно, при температуре выше абсолютного нуля все молекулы находятся в постоянном беспорядочном движении. Это показывает, что они обладают определенной кинетической энергией. Благодаря постоянному движению при смешении двух жидкостей или двух газов их молекулы равномерно распределяются по всему доступному объему.
Диффузия — это процесс, ведущий к равномерному распределению молекул растворенного вещества и растворителя. Как всякое движение, диффузия требует энергии. Диффузия всегда направлена от большей концентрации данного вещества к меньшей, от системы, обладающей большей свободной энергией, к системе с меньшей свободной энергией. Свободной энергией называется часть внутренней энергии системы, которая может быть превращена в работу. Свободная энергия, отнесенная к 1 молю вещества, носит название химического потенциала. Таким образом, химический потенциал — это мера энергии, которую данное вещество использует на реакции или движение. Химический потенциал — функция концентрации. Скорость диффузии зависит от температуры, природы вещества и разности концентраций. Чем выше концентрация данного вещества, тем выше его активность и его химический потенциал. Диффузионное передвижение вещества всегда идет от большего к меньшему химическому потенциалу. Наибольший химический потенциал у чистой воды. (Почему?) Добавление к воде молекул растворенного вещества приводит к возникновению связи между молекулами воды и растворенного вещества, что уменьшает ее активность, ее свободную энергию, ее химический потенциал. В том случае, если диффундирующие вещества встречают на своем пути мембрану, движение замедляется, а в некоторых случаях прекращается. Диффузия воды по направлению от своего большего к меньшему химическому потенциалу через мембрану носит название осмоса. Иначе говоря, осмос — это диффузия воды или другого растворителя через полупроницаемую перепонку, вызванная разностью концентраций или разностью химических потенциалов.
Коллигативные свойства
Это те свойства, которые при данных условиях и для данной группы тел оказываются равными и независимыми от их химической природы и большей или меньшей элементарной сложности. Таковы, напр.: равенство давлений газов (при данной температуре опыта), если они заключены в равные по объему приборы в равно молекулярных количествах; равенство давлений паров, т. е. температур кипения, и температур замерзания жидких изосмотических растворов, образованных данной жидкостью и любыми растворенными в ней телами и т. д. Коллигативными свойствами мы почти исключительно пользуемся для установления молекулярных весов.
Осмотическое давление разбавленных растворов. Представим себе два сосуда, расположенных один в другом (рис. Просм.). При этом пусть через дно внутреннего сосуда сделано из материала, сквозь который проходит растворитель, не может проходить растворенное вещество.
Такие материалы называются полупроницаемыми. По отношению к водным растворам такими свойствами обладают как некоторые естественные продукты растительного или животного происхождения (например, оболочка бычьего пузыря), так и материалы, полученные искусственно (пленка коллодия).
Наружный сосуд наполним водой, а во внутренний поместим водный раствор, например, сахара.
Хотя вода может проникать через такую полупроницаемую перегородку в обе стороны, но скорость ее прохождения из наружного сосуда во внутренний будет больше, чем в обратном направлении. Это явление — самопроизвольный переход растворителя в раствор, отделенный от него полупроницаемой перепонкой, — называется осмосом. Оно играет важную роль в жизнедеятельности растительных и животных организмов.
Осмос можно объяснить, в частности, тем, что концентрация молекул воды в единице объема в наружном сосуде больше, чем во внутреннем. Решающее значение имеет концентрация раствора, точнее — число частиц растворенного вещества в единице объема раствора. Явление осмоса связано с тем, что всегда растворитель обладает большей способностью к выходу из чистой фазы, чем из раствора.
Рассмотрим, что происходит в приборе, изображенном на рисунке. Из наружного сосуда вода будет проходить во внутренний и подниматься по трубке, соединенной с внутренним сосудом. При этом будет повышаться гидростатическое давление, под которым находится раствор во внутреннем сосуде. Вследствие этого скорость перехода молекул воды из внутреннего сосуда в наружный увеличивается. Наконец, при некоторой высоте Н столба раствора в трубке скорости прохождения воды из наружного сосуда во внутренний и из внутреннего в наружный сравняются, и подъем жидкости в трубке прекратится. Давление, которое отвечает такому равновесию, может служить количественной характеристикой явления осмоса. Оно называется осмотическим давлением. Таким образом, осмотическое давление равно тому давлению, которое нужно приложить к раствору, чтобы привести его в равновесие с чистым растворителем, отделенным от него полупроницаемой перепонкой.
Влияние изменения концентрации раствора можно в качественной форме легко представить. Очевидно, что когда концентрация равна нулю, то и осмотическое давление равно нулю. По мере растворения сначала небольших, потом все больших количеств растворяемого вещества будет увеличиваться различие в скоростях перехода воды через полупроницаемую перегородку в различных направлениях и, следовательно, будет возрастать осмотическое давление. Опытные данные позволяют установить, что в достаточно разбавленных растворах осмотическое давление при постоянной температуре прямо пропорционально концентрации, растворенного вещества, т. е. (Ро = КС).
Сравнение осмотического давления одних и тех же растворов при различных температурах приводит к выводу, что осмотическое давление изменяется прямо пропорционально абсолютной температуре. Отношение осмотического давления к температуре для данного раствора постоянной концентрации действительно сохраняет постоянное значение. Таким образом (Ро = К1Т).
Что касается влияния вида растворенного вещества и растворителя, то оказалось, что в растворах, к которым применимо последнее уравнение, осмотическое давление совсем не зависит ни от вида растворенного вещества, ни от растворителя и коэффициент пропорциональности К в этом уравнении является универсальной постоянной, которая к тому же численно равна газовой постоянной R.
Универса́льная га́зовая постоя́нная — константа, равная работе расширения одного моля идеального газа в изобарном процессе при увеличении температуры на 1К. Впервые введена в употребление Д. И. Менделеевым в 1874 году. Обозначается латинской буквой R.
Таким образом, зависимость осмотического давления от концентрации и температуры может быть представлена соотношением (Ро = СRТ).
Осмотическое давление Росм зависит от температуры раствора и его концентрации и не зависит от природы растворителя и растворенного вещества. В 1886 г. голландский химик Вант-Гофф показал, что для разбавленных растворов неэлектролитов зависимость осмотического давления от температуры и концентрации выражается уравнением (закон Вант-Гоффа):
где Росм – осмотическое давление раствора, кПа; С – молярная концентрация растворенного неэлектролита, моль/л; Т – абсолютная температура, К.
Заменим
величину С отношением
;
,
где m – масса растворенного вещества, г; M – молярная масса растворенного вещества, г/моль; V – объем раствора, л. Подставим это отношение в выражение закона Вант-Гоффа:
.
Формально уравнение Вант-Гоффа аналогично уравнению состояния идеального газа и выражает сходство в поведении разбавленных растворов неэлектролитов с идеальными газами. Из вышеприведенного уравнения выразим величину М:
.
Данное выражение позволяет определить молекулярную массу растворенного вещества, измерив осмотическое давление в осмометре.
Это уравнение применимо к любым достаточно разбавленным растворам, за исключением растворов, в которых происходит электролитическая диссоциация. Последняя приводит к образованию в растворе большего числа частиц растворенного вещества и этим вызывает большее осмотическое давление. В разбавленных растворах, независимо от вида растворителя и от вида растворенного вещества, осмотическое давление, при данной температуре определяется только одной величиной — концентрацией молекул растворенного вещества (числом их в единице объема раствора), независимо от того, какие это молекулы и в какой среде они находятся.
Следует обратить внимание на то, что осмотическое давление может достигать значительной величины. Так, при О°С даже для такой малой концентрации, так один моль растворенного вещества в 22,4л раствора, оно равно 760 мм рт. ст.
При увеличении осмотического давления, например в тканевой жидкости, являющейся растворителем минеральных и органических веществ в организме, жидкость поступает из клетки в межклеточное пространство (экзоосмос) и, наоборот, при уменьшении давления — из межклеточного пространства в клетку (эндоосмос). Растворы с осмотическим давлением, равным осмотическому давлению клеточной жидкости, называются изотоническими или изоосмотическими; растворы с более высоким или более низким, чем в клетке, давлением — соответственно гипертоническими и гипотоническими.
Обратный осмос— прохождение воды или других растворителей через полупроницаемую мембрану из более концентрированного раствора в менее концентрированный в результате воздействия давления, превышающего разницу осмотических давлений обоих растворов. При этом мембрана пропускает растворитель, но не пропускает некоторые растворённые в нём вещества.
Обратный осмос используется в различных технологиях очистки воды от примесей, в том числе для опреснения воды и очищения питьевой воды для различных целей.