Осмотичний тиск

Мембрана, яка віддає перевагу

Напівпрониклива мембрана дозволяє маленьким розчинним молекулам — зазвичай воді — вільно проходити, одночасно блокуючи більші розчинені солі. Якщо поставити чисту воду з одного боку та розчин солі з іншого, то на цих двох сторонах починають існувати різні хімічні потенціали води: розчинення солі знижує хімічний потенціал води саме на цій стороні. Вода самовільно рухається від того місця, де її хімічний потенціал вищий (з боку чистої води), до того місця, де він нижчий (з боку розчину солі), розбавляючи розчин точно так же, як тепло поширюється від гарячого до холодного.

Рівняння Ван дер Гальда

На тиск, необхідне для зупинки цього чистого потоку — осмотичного тиску Π — відповідає дуже проста формула для розведених розчинів, яка була відкрита емпіричним шляхом Якобом ван дер Галом:

Π = i M R T i коефіцієнт Ван дер Гала (кількість частинок, що утворюються на одну формульну одиницю розчиненої речовини) M молярність розчиненої речовини R газова стала T абсолютна температура Формула така ж, як і у законі зведення газів P = (n/V)RT, тому вони часто вивчаються разом — хоча фізичний механізм осмотичного тиску полягає в хімічному потенціалі, що регулюється мембраною, а не молекули, які безпосередньо б'ють у стінку контейнера.

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

Осмометр: тиск балансує потоком

Осмометричний насос робить це вимірюваним безпосередньо: розчин знаходиться в камері, закритій напівпроникною мембраною, підключеної до тонкої відкритої капилярної трубки. Вода стікає через мембрану, і висота рідинного стовпа в капилярі зростає. Підвищуючись, гідростатичний тиск на мембрані (ρgh, з більшого стовпа рідини) збільшується та протидіє подальшому чистому надходженню води. Стовп перестане підніматися точно тоді, коли гідростатичний тиск дорівнює осмотному тиску, що дає пряме фізичне вимірювання Π з рівноважної висоти h.

жива демонстрація · пов'язана симуляція● LIVE

Коліготивна властивість — це лише підрахунок частинок

Осмотичний тиск належить до сімейства коліготивних властивостей, поряд з підвищенням температури кипіння, пониженням температури замерзання та зниженням насиченості пари — властивостей, які залежать від кількості розчинених сольових частинок, а не від того, з чого вони складаються. Саме тому важливий van't Hoff фактор i: цукор залишається однією цілою молекулою в розчині (i = 1), тоді як NaCl дисоціює на Na+ та Cl- (i ≈ 2), тому рівномірні молярні кількості двох речовин виробляють приблизно подвоєний осмотичний тиск для солі.

Обратна осмос: борьба с градиентом

Применяйте внешнее механическое давление к раствору, превышающее его естественное осмотическое давление, и направление чистой воды изменится: вода толкается назад через мембрану, от соленой стороны к чистой, оставляя растворённые соли позади, поскольку мембрана всё ещё пропускает только растворитель. Это обратная осмос, основа большинства современных систем опреснения морской воды и очистки воды в бытовых условиях.

Часті запитання

Чому рівняння Ван дер Ваальса виглядає так само, як і ідеальний газ?

Ван дер Ваальс помітив математичну паралель емпірично: Π = iMRT має точно таку ж форму, як PV = nRT, переписану як P = (n/V)RT. Ця паралель є корисним мнемоніком і відображає те, що обидва описують тиск, який виникає від статистичної термодинаміки частинок у об'ємі, але осмотичний тиск має справжнє фізичне походження – це дисбаланс хімічного потенціалу через напівпроникний мембрану, а не фактичне відбивання молекул від стіни.

Чому розчинення NaCl виробляє приблизно подвійний осмотичний тиск порівняно з тим самим молярністю цукру?

NaCl дисоціює на іони Na+ та Cl- у воді, тому одна моль NaCl виробляє близько двох молей розчинених частинок, що дає коефіцієнт Ван дер Ваальса i майже 2. Цукор (цукроза) не дисоціює взагалі, тому його i дорівнює 1. Оскільки осмотичний тиск залежить від загальної концентрації частинок iM, а не від формулової концентрації M, електролітний розчин виробляє приблизно вдвічі більший осмотичний тиск, ніж неелектроліт при тій же молярності.

Як зворотний осмос насправді видаляє сіль з морської води?

Нормальний осмос би штовхнув чисту воду в бік морської води, розводячи її. Зворотний осмос застосовує механічний тиск на бік морської води, який перевищує її осмотичний тиск, змушуючи хімічний потенціал перевернутися – вода штовхається назад через мембрану з солоної сторони на чисту сторону, залишаючи розчинені солі позаду, оскільки мембрана все ще пропускає лише розчинник.

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте Osmotic Pressure і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.

▶ Відкрити симуляцію Osmotic Pressure

Осмотичний тиск: Чому вода піднімається проти сили тяжіння