осмос

ОСМОС (от греч. — толчок, давление)

самопроизвольный перенос вещества через полупроницаемую мембрану, разделяющую два раствора разл. концентрации или чистый растворитель и раствор. Наиб. часто происходит переход растворителя через полупроницаемую мембрану, не пропускающую растворенное вещество. Самопроизвольный массоперенос возникает в результате того, что хим. потенциал растворителя уменьшается при увеличении концентрации растворенного вещества.

осмос. Рис. 2

Рассмотрим два объема α и осмос. Рис. 3 бинарного раствора (см. рис.), разделенных полупроницаемой перегородкой, пропускающей молекулы растворителя (компонент 1) и не пропускающей молекулы растворенного вещества (компонент 2). Если температура T и давление р по обе стороны перегородки одинаковы (Тα= Т осмос. Рис. 4 , ), а молярные доли различны ( ), то осмос. Рис. 7 (Т, р, осмос. Рис. 8 ) > осмос. Рис. 9 (Т, р, осмос. Рис. 10 ). Для идеальных или сильно разбавленных реальных растворов, где осмос. Рис. 11 -хим. потенциал чистого растворителя, R-газовая постоянная. При осмос. Рис. 12 система термодинамически неравновесна и, следовательно, имеет место переход компонента 1 из объема α в объем осмос. Рис. 13 до тех пор, пока его молярные доли в обоих объемах не станут одинаковыми. Для того чтобы предотвратить массоперенос и выравнивание концентраций и сохранить первонач. состав обоих растворов, необходимо выравнить хим. потенциалы компонента 1 по обе стороны перегородки изменением внеш. условий (температуры, давления, внеш. электрич. поля, если речь идет о растворах электролитов). В изотермич. условиях для сохранения состава фаз необходимо изменить давление на один из растворов. Из термодинамики известно, что

осмос. Рис. 14

где осмос. Рис. 15 -парциальный молярный объем растворителя. Для идеальных или предельно разбавленных реальных растворов осмос. Рис. 16 , где осмос. Рис. 17 -молярный объем чистого растворителя. Знак производной положительный и при увеличении давления, приложенного к раствору осмос. Рис. 18 , хим. потенциал растворителя будет возрастать. Дополнит. давление осмос. Рис. 19 , которое надо приложить к раствору осмос. Рис. 20 для того, чтобы предотвратить поступление в него растворителя через полупроницаемую мембрану из раствора α, наз. осмотич. давлением. При давлении осмос. Рис. 21 система находится в термодинамически равновесном состоянии:

осмос. Рис. 22

Если осмос. Рис. 23 , равновесие нарушается и имеет место перенос растворителя из более концентрир. раствора в менее концентрированный. Это явление получило назв. обратного осмоса; оно находит широкое практич. применение в мембранных процессах разделения веществ.

Для идеальных растворов зависимость осмотич. давления от состава выражается уравнением:

осмос. Рис. 24

где осмос. Рис. 25 — парциальные давления растворителя в фазах α и осмос. Рис. 26 . Если фаза α представляет собой чистый растворитель, т. е. осмос. Рис. 27 , то осмос. Рис. 28 ; уравнение принимает вид, известный как уравнение Ван Лаара:

осмос. Рис. 29

Из него следует, что осмотич. давление раствора пропорционально ln x₁. Этой же величине пропорциональны понижение температуры замерзания и повышение температуры кипения идеальных растворов (см. Рауля закон), что свидетельствует о связи этих явлений с О.

Если концентрация растворенного вещества мала, зависимость осмотич. давления от его молярной концентрации с₂ выражается уравнением Вант-Гоффа:

осмос. Рис. 30

Это уравнение обычно используют для расчета осмотич. давления бинарных растворов недиссоциирующих веществ. Однако лучшее совпадение расчетных значений с экспериментальными в широкой концентрац. области дает уравнение Ван Лаара (см. табл.). О методах и технике измерения осмотич. давления см. осмометрия.

^{ОСМОТИЧЕСКОЕ ДАВЛЕНИЕ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ САХАРОЗЫ ПРИ 30 °C}

таблица в процессе добавления

Для разб. растворов электролитов уравнение Вант-Гоффа имеет вид:

осмос. Рис. 31

где i= 1 + a'(v — 1) (a'-степень диссоциации электролита, v-число ионов, на которые распадается молекула электролита). В случае сильных электролитов, полностью диссоциирующих на ионы, при высоких разбавлениях осмос. Рис. 32 = vc₂RT, для раствора произвольной концентрации = vФc₂RT, где Ф-практич. осмотич. коэффициент. Он непосредственно связан с коэф. активности осмос. Рис. 34 растворенного вещества и моляль-ностью m раствора электролита соотношением Бьеррума:

осмос. Рис. 35

В интегральной форме соотношение (8) принимает вид:

осмос. Рис. 36

Это соотношение используют для расчета Ф по данным о осмос. Рис. 37 ; можно рассчитать Ф и по значениям осмос. Рис. 38 .

Наиб. существ. черта всех осмотич. процессов — увеличение объема раствора. Оно всегда имеет место, если молекулы растворенного вещества не могут выйти из раствора, а растворитель способен проникать в раствор. Это условие можно выполнить даже при отсутствии видимой полупроницаемой перегородки. Например, если фазы α и осмос. Рис. 39 содержат нелетучий компонент и не разделены перегородкой, а находятся под одним колпаком, из-под которого откачан воздух, то за счет разности давлений насыщ. пара произойдет "перекачка" растворителя из раствора α в раствор осмос. Рис. 40 . Такой процесс получил назв. изотермич. перегонки. Др. примером типичного проявления О. без наличия полупроницаемой перегородки является набухание в системах полимер-растворитель.

Осмос в природе. Животные и растит. клетки представляют собой микроскопич. осмотич. системы, поскольку у клетки оболочка или прилегающая к ней плазмолемма обладают свойствами полупроницаемых мембран. Если поместить клетки в дистиллированную воду, происходит набухание, а затем разрыв оболочек (осмотич. шок, или лизис). В растворах с высокой концентрацией солей наблюдается падение осмотич. давления и коллапс клеток из-за потери воды (плазмолиз). Это явление используют, напр., при консервировании пищ. продуктов путем добавления больших количеств соли или сахара: микроорганизмы подвергаются плазмолизу и становятся нежизнедеятельными.

Растворы с одинаковым значением осмотич. давления наз. изотоническими. Растворы с осмотич. давлением, большим, чем у внутриклеточной жидкости, наз. гипертоническими, меньшим-гипотоническими. Один и тот же раствор для одного типа клеток м. б. гипертоническим, для другого-изотоническим, для третьего-гипотоническим.

В тканях растений осмотич. давление составляет 0,5–2 МПа (у растений в пустынях — более 10 МПа). Гидро-статич. давление, возникшее во внутриклеточных структурах в результате осмоса, наз. тургором. Это давление придает прочность и упругость тканям живых организмов. Если клетка отмирает, оболочка теряет свойство полупроницаемости, тургор исчезает (растение вянет). Осмотич. давление-главная причина, обеспечивающая движение воды в растениях и ее подъем от корней до вершины. Клетки листьев, теряя воду, осмотически всасывают ее из клеток стебля, а последний-из клеток корня, берущих, в свою очередь, воду из почвы. Для роста и развития растений важно соотношение между осмотич. давлением почвенного раствора и клеточного сока. Растение может нормально развиваться лишь тогда, когда осмотич. давление клеточного сока больше осмотич. давления почвенного раствора.

Высокоорганизованные животные и человек отличаются постоянным значением осмотич. давления, напр. в крови человека осмос. Рис. 41 = 0,78 МПа (7,7 атм) при 37 °C. Даже небольшие изменения осмотич. давления вызывают чувство дискомфорта. Так, чувство жажды обусловлено потребностью организма восстановить нормальное осмотич. давление введением воды, после того как оно было повышено, напр. употреблением соленой пищи. При болезненных явлениях локальные изменения осмотич. давления м. б. значительными. Например, при воспалит. процессах происходит распад белков, что приводит к увеличению количества структурных частиц в очаге воспаления, повышению осмотич. давления и локальному оттоку воды из окружающих тканей. Так возникают отеки.

В медицине обычно используют изотонич. растворы, но иногда применяют и гипертонические. Так, в хирургии гипертонич. повязками покрывают раны: гипертонич. повязка оттягивает на себя жидкость и очищает рану от микроорганизмов, продуктов распада и т. д.

^{Лит.: Горшков В. И., Кузнецов И. А., Физическая химия, М., 1986; Дуров В. А., Агеев Е.П., Термодинамическая теория растворов неэлектролитов, М., 1987. См. также лит. при ст. мембранные процессы разделения.}

_{Е. П. Агеев}

Источник: Химическая энциклопедия на Gufo.me

осмос

Значения в других словарях