-Осмос. Закон осмотичного тиску.

Якщо в склянку налити кон­центрований розчин забарвленої речовини (КМnО4, К2Сr2О7), а потім обережно, щоб не змішати рідини, налити воду, то внаслідок двосторонньої дифузії (молекул або іонів розчиненої речовини у воду і молекул води в концентрований розчин речовини) протягом певного проміжку часу концентрація речовини стане однаковою в усьому об'ємі розчину. Тобто процес двосторонньої дифузії відбуватиметься до повного вирівнювання концентрації розчину внаслідок теплового руху молекул розчиненої речовини і розчин­ника. Дифузією називається процес самовільного вирівнювання кон­центрації розчину речовини. Дифузія відбувається у будь-яких сумішах розчинів тоді, коли в них виникають нерівності концен­трацій.

Якщо розділити розчин і розчинник напівпроникною перегород­кою (мембраною), крізь яку проходять молекули розчинника і не проходять молекули розчиненої речовини, то настає одностороння дифузія молекул розчинника крізь мембрану. Процес односторонньої дифузії молекул крізь напівпроникну перегородку називається осмосом, а тиск, що спричинює осмос, називається осмотичним тис­ком. На відміну від звичайної двосторонньої дифузії, яка є ре­зультатом теплового руху молекул, механізм односторонньої дифу­зії ще не з'ясовано.

Осмос – процес динамічний. Динамічна рівновага (стан, при якому кількість молекул розчинника, що проходягь крізь мембрану в обох напрямках за одиницю часу, стає однаковою) встановлюється лише тоді, коли осмо­тичний тиск розчину зрівноважений висотою стовпа рідини у трубці (висота h на рис.2). Цей гідроста­тичний тиск кількісно характеризує осмотичні влас­тивості розчину відносно чистого розчинника. Чим більше значення гідростатичного тиску h, тим біль­ший осмотичний тиск розчину. Отже, осмотичний тиск розчину чисельно дорівнює додатковому тиску, який необхідний для припинення осмосу.

Як показав Я.Г.Вант-Гофф (1885 р.), осмотичний тиск розчину чисельно дорівнює тиску, який чинила б розчинена речовина, якби вона при тій самій температурі перебувала в газоподібному стані і займала об'єм, іцо дорівнює об'єму розчину. Це і є закон осмотично­го тиску.

Я.Г.Вант-Гофф звернув увагу на те, що осмотичний тиск розбавлених розчинів підлягає законам ідеальних газів Бойля–Маріотта і Гей-Люссака. Звідси він зробив висновок, що осмотичний тиск розчинів можна обчислювати за рівнянням Клапейрона – Менделєєва:

де п – число молів розчиненої речовини; V – об'єм розчину;

R — універсальна газова стала; Т – абсолютна температура.

Оскільки відношення числа молів розчиненої речовини п до об'єму розчину V є молярна концентрація С = n/V, то рівняння можна записати так:

Це рівняння є математичним вираженням закону осмотичного тиску Вант-Гоффа. Воно справедливе лише для дуже розбавлених розчинів неелектролітів. З цього рівняння видно, що осмотич­ний тиск розчину прямо пропорційний його концентрації і тем­пературі. За рівнянням осмотичного тиску розчину можна обчислю­вати молекулярні маси розчинених речовин.

Осмотичний тиск має велике значення для життєдіяльності рос­лин і тварин, оскільки тканини їхніх клітин – це ті самі напівпро­никні перегородки рослинного або тваринного походження, а клі­тини наповнені водними розчинами різних речовин. Осмотичний тиск клітинного соку дорівнює 0,4–2,0 МПа. Якщо клітини росли­ни занурити у воду (або поливати рослину водою), то вода проникає в клітини, створюючи в них гідростатичний тиск, внаслідок чого рослина стає міцною і пружною (явище тургору). Навпаки, якщо занурити клітину в розчин, концентрація розчинених речовин в якому більша, ніж у клітині, то вода з останньої переходить у зов­нішній розчин, а клітина зморщується (явище плазмолізу).

У клітинах організмів тварин і людини спеціальні біологічні механізми підтримують сталий осмотичний тиск (близько 0,8 МПа). Так, нирки людини контролюють водообмін, тим самим контро­люючи осмотичний тиск у клітинах за допомогою антидіуретичного гормона, який регулює проникність ниркових осмотичних мембран для води. Осмотичний тиск у клітинах регулюють і потові залози. Необхідність сталості осмотичного тиску в клітинах організму лю­дини зумовлює те, що розчини деяких ліків (наприклад, пеніциліну) для внутрішньовенного вливання приготовляють не на дистильо­ваній воді, а на 0,9%-му розчині NаСl (фізіологічний розчин), який має такий самий осмотичний тиск, як і плазма крові. Розчини з однаковим осмотичним тиском називають ізотонічними.

Тиск пари розчинів. Розчинена речовина ускладнює випаровуван­ня розчинника внаслідок взаємодії молекул речовини і розчинника. Тому при сталій температурі тиск пари над розчином нелеткої речо­вини менший, ніж над розчинни­ком, за винятком розчинів, в яких розчинена речовина є леткою (NН3, НСl тощо). Отже, крива тис­ку пари над розчином розташована нижче, ніж крива тиску пари чис­того розчинника (рис.3).

Зниження тиску пари над розчином тим більше, чим вища кон­центрація розчину.

Залежність зниження тиску пари розчинів від їхньої концентра­ції виражається першим (тонометричним) законом Рауля (1887 р.): відносне зниження тиску насиченої пари над розчином прямо про­порційне мольній частці розчиненої речовини.