Napięcie osmowe: Dlaczego woda podnosi się przeciwko mocy ciężkości

Pamiecka preferencje

Półpierwotlana błonka pozwalająca małym cząsteczkom rozpuszczalnika — zwykle wodzie — przepływać swobodnie, blokując jednocześnie większe cząsteczki rozpuszczalnika. Umieszczenie czystej wody po jednej stronie i roztworu na drugiej prowadzi do różnorodności chemicalnych potencjałów na obu stronach: rozpuszczanie solutki sprowadza do opadnięcia chemicalnego potencjału wody na tej stronie. Woda spontanicznie przepływa z miejsca, gdzie jej chemicalny potencjał jest wyższy (strona czysta) do miejsca, gdzie jest niższy (strona roztworu), rozpuszczając roztwór, dokładnie tak jak ciepło przepływa od ciepłego do zimnego.

Równanie van't Hoffa

Napreżenie osmowe Π, które jest potrzebne do zatrzymania netto przepływu — to napreżenie osmowe, wynosi dla rozwiązań rzadkich stosunek, odkryty empirycznie przez Jacobusa van't Hoffa:

Π = i M R T i czynnik van't Hoffa (cząsteczek tworzących się z jednego wzórku rozpuszczonym) M molarność solutu R stała gazowa T temperatura bezwzględna Forma równania jest taka sama jak prawo idealnego gazu P = (n/V)RT, dlatego często są one nauczane razem — choć fizyczny mechanizm za sprawą napreżenia osmowego to równowaga potencjału chemicznego przeprowadzana przez membranę, a nie faktyczne uderzenia cząsteczek o ściankę kontenera.

Π = i M R T

  i  van't Hoff factor (particles produced per formula unit dissolved)
  M  molarity of solute
  R  gas constant
  T  absolute temperature

Osmometr: równowaga ciśnienia i przepływu

Osmometr membranowy pozwala na pomiar tego bezpośrednio: roztwór znajduje się w komorze zamkniętej przez półprzewodnikową membranę, która jest połączona z cienkim otwartym kapilary. Woda przepływa przez membranę i kolumna cieczy w kapilariu wzrasta. Przy wzroście kolumny, ciśnienie hydrostatyczne na membranie (ρgh, wynikające z wyższej kolumny cieczy) rośnie i przeciwdziała dalszemu netto przepływowi. Kolumna przestaje wzrastać dokładnie w momencie, gdy ciśnienie hydrostatyczne jest równe napięciu osmoticznemu, co pozwala na bezpośredni fizyczny pomiar Π z równowagowej wysokości h.

Colligatywne — liczy się tylko cząsteczki

Napięcie osmowe należy do grupy właściwości colligatywnych, wraz z podwyższeniem punktu wrzenia, opadnięciem punktu zamarznięcia i obniżeniem naporu roztworowego — właściwości zależą od ilości cząsteczek solutu, a nie od chemii tych cząsteczek. To dokładnie dlatego, dlaczego ważny jest współczynnik van't Hoffa i: cukier pozostaje jako jedna cała cząsteczka w roztworze (i = 1), podczas gdy NaCl rozdziela się na Na+ i Cl- (i ≈ 2), więc równe ilości molarne obu składników powodują około dwukrotnie wyższy napięcie osmowe dla solutu.

Odwrotna osmose: walka z gradientem

Zastosowanie zewnętrznego nacisku mechanicznego na stronę rozwiązaną, który przewyższa naturalną ciśnienie osmolary, zmienia kierunek netto przepływu wody: woda jest napędzana wstecz przez membranę, z koncentrowanej strony do czystej, zostawiając za sobą rozpuszczone sólce, ponieważ membrana nadal umożliwia tylko przepływ roztworu. To jest odwrotna osmose, podstawowy mechanizm większości współczesnych systemów dezalinacji wodnej morskiej i czysty domesticzny.

Często zadawane pytania

Wypróbuj na żywo

Wszystko powyżej działa bezpośrednio w Twojej przeglądarce — otwórz Osmotic Pressure — Van't Hoff Equation & Osmometer i zmieniaj parametry podczas działania. Nic nie jest instalowane ani przesyłane na serwer, cały model działa w jednej karcie.