Осмотическое давление

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Осмотическое давление

В 1748 г. А. Нолле впервые наблюдал, как растворитель проходит через мембрану из разбавленного раствора в более концентрированный. Если к более концентрированному раствору приложить давление, то в зависимости от его величин течение растворителя может быть замедлено или остановлено. Это явление было названо осмосом.

Осмотическим давлением раствора называется то наименьшее давление, которое помимо давления самого растворителя необходимо приложить к раствору, чтобы предотвратить перемещение растворителя к раствору через мембрану, разделяющую раствор и растворитель, причем мембрана непроницаема для молекул растворенного вещества.

В левом отделении прибора находится чистый растворитель, в правом - раствор. Эти две жидкости отделены друг от друга полупроницаемой мембраной (например, мембраной из целлофана). Поры в мембране достаточно велики, чтобы через них свободно проходили молекулы растворителя, но мембрана препятствует проникновению молекул растворенного вещества из правой части сосуда в левую. Скорость перехода растворителя из левой части сосуда в правую в начальный момент больше, чем скорость его перемещения в обратном направлении. Поэтому высота столба жидкости в правой части сосуда увеличивается до тех пор, пока не будет достигнуто равновесие, при котором разность уровней жидкости в левой и правой частях (h) отвечает осмотическому давлению.

В 1877 г. В. Пфеффер измерил осмотическое давление р нескольких растворов, приготовленных путем растворения одной и той же массы вещества в разных объемах растворителя. При этом он показал, что если поддерживать температуру постоянной, то произведение рV всегда будет одним и тем же. Для данного раствора с повышением температуры осмотическое давление увеличивается, причем отношение р/Т сохраняется постоянным. Я. Вант-Гофф обобщил эти результаты и предложил эмпирическое управление для описания осмотического давления растворов:

р = СRT,

где р - осматическое давление;

С - молярная концентрация раствора;

Т - температура.

Линейная зависимость осмотического давления от концентрации раствора и от температуры соблюдается только для идеальных растворов. Поэтому уравнение (7.4) можно применять только для разбавленных растворов. Если растворенное вещество диссоциирует и имеет степень диссоциации, то в простейшем случае диссоциации одной частицы на две имеем АВ-А⁺ + В^-.

Число недиссоциированных частиц, получившихся из 1 моль, равно (1-а) моль, число продуктов диссоциации равно 2а моль, а всего молей будет 1 - а + 2а=1+a.

Сумму 1 +а обозначают буквой j. Это так называемый изотонический коэффициент Вант-Гоффа.

Тогда уравнение осмотического давления (7.3) принимает вид

n = iCRT.

Осмотическое давление можно определять двумя основными методами: статическим и динамическим.

Статический метод основан на том, что осмотическое давление раствора уравновешивается давлением столба жидкости, возникающем в результате проникновения растворителя в раствор.

Осмометр состоит из камеры 2 вместимостью ~ 10 мл из стекла или хромированной латуни. Камера присоединяется с помощью винтов к пластинке, в середине которой имеются отверстия (диаметром 1 мм). Нижняя сторона камеры плотно прижимает мембрану к пластинке - сетке, толщина которой должна быть не больше 0,5 мм. Часть осмометра, в которой находится раствор, называется осмотической ячейкой. Раствор наливается в ячейку через верхнее отверстие, куда для отсчета давления вставляется пришлифованный градуированный капилляр диаметром 1 мм и длиной 50 см. Нижняя пришлифованная часть капилляра входит в камеру на 0,5… 1 мм для предохранения камеры от пузырьков воздуха при заполнении.

Камера с раствором вставляется в сосуд 3, наполненный чистым растворителем. Сосуд закрывается пришлифованной крышкой во избежание испарения растворителя. При измерении осмотического давления осмометр помещают в термостат. Динамический метод основан на том, что осмотическое давление компенсируется наложенным на раствор переменным противодавлением. Осмотическое давление вычисляется на основании измерения скорости проникновения растворителя через мембрану. Преимущество динамического метода заключается в быстроте измерений.

Компенсационный осмометр А.В. Думанского. Осмотическая ячейка соединяется с мембраной, аспиратором и манометром. Ячейку и внешний сосуд помещают в термостат. Поднятием верхней части аспиратора регулируется внешнее давление таким образом, чтобы оно было больше или меньше осмотического давления. При избыточном внешнем давлении мениск в капилляре опускается вниз со скоростью х1, пропорциональной избыточному давлению р-р. При пониженном внешнем давлении мениск поднимается со скоростью х2, пропорциональной разности р-с2 тогда отношение скоростей перемещения растворителя по капилляру х1/х2 будет равно отношению разностей давлений, обусловливающих поднятие или опускание мениска в капилляре, т.е.

х₁/х₂=с₁-р/р-с₂

отсюда

давление осмотический диссоциация электролит

р=х₁с₂+х₂с₁/х₁+х₂

Осмотическое давление данного раствора может быть экспериментально определено по понижению температуры замерзания или по повышению температуры кипения раствора.

Предполагая равенство молельной и молярной концентрации (m?С) для разбавленных растворов, можно при сопоставлении уравнений

ДТ=Кm, р= CRT

получить значение осмотического давления, связанного с величиной ДГ, которое определяют экспериментально:

Аналогично можно установить связь осмотического давления с повышением температуры кипения и эбуллиоскопической константой.

Осмотическое давление играет большую роль в жизни клеток. Каждая растительная клетка покрыта прочной целлюлозной оболочкой, к которой плотно прилегает протоплазма клетки. Поверхностный слой этой протоплазмы обладает свойствами полупроницаемой оболочки и, следовательно, свободно пропускает воду и не пропускает или почти не пропускает многие растворенные в воде вещества. Целлюлозная оболочка свойствами полупроницаемости не обладает и поэтому легко проницаема для всех растворенных веществ.

Если растительную клетку перенести в концентрированный раствор какого-нибудь вещества (например, сахара или хлорида натрия), молярная концентрация которого будет выше, чем концентрация растворенных веществ в клетке, то наблюдается осмотическое высасывание воды из клетки в окружающий ее внешний раствор (экзосмос). Протоплазма уменьшается в объеме и отстает от стенок целлюлозной оболочки. Объем протоплазмы делается тем меньше, чем большей концентрации был раствор, в который погружена клетка. При соответствующих условиях протоплазма принимает шарообразную форму, уменьшаясь в несколько раз. Это явление называется плазмолизом. Если плазмолизированную клетку поместить снова в раствор обычной для нее концентрации или в дистиллированную воду, клетка, благодаря осмотическому всасыванию растворителя, увеличивает свой объем, возвращаясь в свое исходное положение. Таким образом, плазмолиз является обратимым процессом.

Если нормальную растительную клетку поместить в раствор, концентрация которого будет ниже, чем концентрация растворенных веществ в самой клетке, или просто в дистиллированную воду, то под влиянием более высокого осмотического давления содержимого клетки происходит осмотическое всасывание воды в клетку (эндосмос). Объем клетки при этом увеличивается, растягивая стенки целлюлозной оболочки: клетка при этих условиях находится в состоянии напряжения. Состояние осмотического напряжения клетки, обусловленное повышенным осмотическим давлением, называется тургором, он поддерживает в напряжении ткани и органы у растений. Увядание растений связано с уменьшением тургора.

Естественно, что клетки окажутся неизменными, если их поместить в среду, осмотическое давление которой одинаково с внутриклеточным осмотическим давлением. Все упомянутые осмотические процессы присущи также животным тканям и клеткам.

Растворы, осмотическое давление которых одинаково с осмотическим давлением клеток и тканей, называются изоосмотическими или изотоническими. Растворы, молярная концентрация которых, а стало быть, и осмотическое давление, выше, чем внутри клеток и тканей, называются гипертоническими.

Итак, если изотонические растворы не вызывают изменений в клетках, то растворы гипертонические обусловливают явление плазмолиза, а растворы гипотонические - явление тургора.

Нормальные растительные клетки всегда тургоризированы. Иначе говоря, концентрация растворенных веществ клетки выше, чем концентрация растворенных веществ в окружающей среде. Тургор растительных клеток является необходимым условием для роста и нормальной жизнедеятельности.

В растениях наблюдается значительное осмотическое давление, достигающее 0,5…2,0 МПа. Некоторые растения пустынь и засоленных почв, которым приходится особенно упорно бороться за влагу, имеют осмотическое давление, достигающее 5 МПа и даже 17 МПа.

Особенно высоко осмотическое давление в точках роста. Так, у клеток стеблевых узлов злаков оно достигает 5 МПа. корни всегда имеют более высокое осмотическое давление, чем почвенный раствор, откуда они всасывают воду и питательные вещества.

Процесс диссоциации слабых электролитов является обратимым. Молекулы распадаются на ионы, а образующиеся ионы противоположного знака, встречаясь в растворе, могут вновь соединяться в молекулы. Для электролита вида АВ процесс диссоциации можно записать так:

АВ А^{+ +} В^-.

Как и во всяком обратимом процессе, здесь устанавливается некоторое динамическое равновесие. Так как слабые электролиты подчиняются, закону действующих масс, это равновесие может количественно характеризоваться константой равновесия, называемой в данном случае константой диссоциации. Для рассматриваемого электролита, распадающегося на два иона, эта константа выразится соотношением

[А⁺] [В-]

К= ___________________

[АВ]

Следует подчеркнуть, что эта константа может достаточно корректно характеризовать лишь разбавленные растворы слабых электролитов.

Количественная характеристика равновесного состояния диссоциации слабого электролита может быть получена также с использованием степени диссоциации а, которая показывает, какая часть молекул электролита в растворе распалась на ионы:

Число распавшихся молекул

а=___________________________________

Общее число растворенных молекул

Значение а всегда меньше единицы. Умножая а на 100, получают долю ионизированных молекул в процентах.

Степень диссоциации связана с константой диссоциации. Так, для бинарного электролита АВ концентрации ионов [А⁺] и [В⁺] связываются с общей концентрацией электролита С соотношением

[А⁺] = [B⁺] = аС.

Степень диссоциации зависит от природы электролита, природы растворителя, температуры раствора и степени его разбавления. Как уже было рассмотрено, чем больше диэлектрическая постоянная растворителя, тем значительнее при прочих равных условиях электролитическая диссоциация растворенного в нем вещества. Диссоциация молекул - процесс эндотермический. Следовательно, по принципу Ле Шателье с повышением температуры степень диссоциации должна возрастать. Однако при повышении температуры уменьшается диэлектрическая постоянная растворителя, что благоприятствует образованию молекул из ионов. У большинства электролитов степень диссоциации по мере повышения температуры увеличивается, а у некоторых (например, NH₄OH, СН₃СООН) достигает максимума, а затем уменьшается.

С разбавлением раствора электролита вероятность взаимодействия ионов в растворе уменьшается, степень электролитической диссоциации увеличивается. При этом константа диссоциации, вычисленная для данного слабого электролита, в сильно разбавленном растворе имеет постоянное значение.

Значение а и К для уксусной кислоты при различных разбавлениях

Экспериментальные данные свидетельствуют, что растворы электролитов обнаруживают всегда большие отклонения от свойств чистого растворителя, чем растворы неэлектролитов. Отклонения определяются большим числом (концентрацией) частиц растворенного вещества в растворе электролита вследствие диссоциации его молекул на ионы. В результате диссоциации число частиц оказывается больше расчетного. Следовательно, в уравнениях, которые выражают зависимость свойств раствора от его концентрации для неэлектролитов, требуется ввести поправочный множитель, отражающий это явление

Оценка отклонения позволяет определять степень диссоциации. Поэтому значение степени диссоциации может быть определено по величине осмотического давления, понижению температуры замерзания раствора и данным электрической проводимости.

Если в растворе до диссоциации находилось N молекул и если степень диссоциации их при данных условиях равна а, то число диссоциированных молекул будет N-Na = N (1 - а).

Когда каждая молекула способна распадаться на n ионов, число всех частиц (молекул и ионов) равно

N (1-a) + nNa = N (1-а +nа).

Осмотическое давление пропорционально числу частиц, следовательно, наблюдаемое осмотическое давление ропр пропорционально общему числу частиц (молекул и ионов) после диссоциации, т.е. числу N (1 - а + nа).

Изотонический коэффициент показывает, во сколько раз суммарная эффективная концентрация недиссоциированных молекул и ионов больше чем концентрация молекул до диссоциации.

В частном случае для бинарного электролита (n = 2)

i =1 + а, а = i - 1.

Таким образом, определив осмотическое давление р_опр экспериментально и вычислив рвыч из формулы р = iCRT, можно получить степень диссоциации слабого электролита.

Размещено на Allbest.ru