Осмотическое давление

Осмотическое давление - это минимальное давление , которое необходимо применить к раствору, чтобы предотвратить внутренний поток его чистого растворителя через полупроницаемую мембрану . ^{[ 1 ]} Он также определяется как мера тенденции решения, чтобы принимать его чистый растворитель с помощью осмоса . Потенциальное осмотическое давление - это максимальное осмотическое давление, которое могло бы развиваться в растворе, если оно было отделено от его чистого растворителя с помощью полупроницаемой мембраны.

Осмос возникает, когда два раствора, содержащие различные концентрации растворенного вещества, разделены селективно проницаемой мембраной. Молекулы растворителя проходят преимущественно через мембрану из раствора с низкой концентрацией в раствор с более высокой концентрацией растворенного вещества. Передача молекул растворителя будет продолжаться до тех пор, пока не будет достигнуто равновесие. ^{[ 1 ]}^{[ 2 ]}

Теория и измерение

Jacobus van 't Hoff обнаружил количественную связь между осмотическим давлением и концентрацией растворенного вещества, выраженной в следующем уравнении:

\Pi =icRT

где $\Pi$ Является ли осмотическое давление, я - безразмерный индекс Van 'T Hoff , C - молярная концентрация растворенного вещества, R - идеальная постоянная газа , а T - абсолютная температура (обычно в келвинах ). Эта формула применима, когда концентрация растворенного вещества достаточно низкая, чтобы раствор можно обрабатывать как идеальное решение . Пропорциональность концентрации означает, что осмотическое давление является коллигативным свойством . Обратите внимание на сходство этой формулы с законодательством об идеальном газе в форме ${\textstyle P={\frac {n}{V}}RT=c_{\text{gas}}RT}$ где $n$ - это общее количество молей молекул газа в объеме V , а N / V - молярная концентрация молекул газа. Хармон Нортроп Морс и Фрейзер показали, что уравнение применяется к более концентрированным растворам, если единица концентрации была молальной , а не молярной ; ^{[ 3 ]} Таким образом, когда используется моляльность, это уравнение было названо уравнением Морса .

Для более концентрированных растворов уравнение Van 'T Hoff может быть расширено как серия мощности в концентрации растворенного вещества, c . К первому приближению,

\Pi =\Pi _{0}+Ac^{2}

где $\Pi _{0}$ это идеальное давление, а A - эмпирический параметр. Значение параметра A (и параметров из приближений высшего порядка) может использоваться для расчета параметров Pitzer . Эмпирические параметры используются для количественной оценки поведения решений ионных и неионных растворенных веществ, которые не являются идеальными решениями в термодинамическом смысле.

Клетка Pfeffer была разработана для измерения осмотического давления.

Приложения

Измерение осмотического давления может быть использовано для определения молекулярных весов .

Осмотическое давление является важным фактором, влияющим на биологические клетки. ^{[ 4 ]} Осморгуляция является механизмом гомеостаза организма для достижения баланса при осмотическом давлении.

Гипертоничность - это наличие раствора, который приводит к сокращению клеток.
Гипотоничность - это наличие раствора, который заставляет клетки набухать.
Изотоничность - это наличие решения, которое не приводит к изменению объема клеток.

Когда биологическая клетка находится в гипотонической среде, клеточная внутренняя часть накапливает воду, вода течет через клеточную мембрану в клетку, вызывая ее расширение. В растительных клетках клеточная стенка ограничивает расширение, что приводит к давлению на клеточную стенку изнутри, называемой тургорным давлением . Давление тургора позволяет травянистым растениям стоять прямо. Это также определяющий фактор того, как растения регулируют апертуру их устьиц . В клетках животных чрезмерное осмотическое давление может привести к цитолизу из -за отсутствия клеточной стенки.

Осмотическое давление является основой фильтрации (« Обратный осмос »), процесс, обычно используемый при очистке воды . Вода, которая должна быть очищена, помещается в камеру и подвергается давлению, больше, чем осмотическое давление, оказываемое водой, и растворенные растворенные вещества растворяются в ней. Часть камеры открывается для дифференциально проницаемой мембраны, которая позволяет молекулам воды, но не частицам растворенного вещества. Осмотическое давление водой океана составляет приблизительно 27 атм . Обратный осмос опьяняет пресную воду из океанской соленой воды .

Вывод формулы фургона

Рассмотрим систему в точке, когда она достигла равновесия. Условие для этого состоит в том, что потенциал растворителя химический (поскольку только он свободен течь к равновесию) с обеих сторон мембраны равны. В отделении, содержащем чистый растворитель, обладает химическим потенциалом $\mu ^{0}(p)$ , где $p$ это давление. С другой стороны, в отсеке, содержащем растворенное вещество, химический потенциал растворителя зависит от моль -доли растворителя, $0<x_{v}<1$ Полем Кроме того, этот отсек может оказать другое давление, $p'$ Полем Поэтому мы можем написать химический потенциал растворителя как $\mu _{v}(x_{v},p')$ Полем Если мы напишем $p'=p+\Pi$ Поэтому баланс химического потенциала:

\mu _{v}^{0}(p)=\mu _{v}(x_{v},p+\Pi ).

Здесь разница в давлении двух отсеков $\Pi \equiv p'-p$ определяется как осмотическое давление, оказываемое растворенными веществами. Удерживая давление, добавление растворенного вещества уменьшает химический потенциал ( энтропийный эффект ). Таким образом, давление решения должно быть увеличено в попытке компенсировать потерю химического потенциала.

Чтобы найти $\Pi$ , осмотическое давление, мы рассмотрим равновесие между раствором, содержащим растворенное вещество и чистую воду.

\mu _{v}(x_{v},p+\Pi )=\mu _{v}^{0}(p).

Мы можем написать левую сторону как:

\mu _{v}(x_{v},p+\Pi )=\mu _{v}^{0}(p+\Pi )+RT\ln(\gamma _{v}x_{v})

,

где $\gamma _{v}$ это коэффициент активности растворителя. Продукт $\gamma _{v}x_{v}$ также известен как активность растворителя, который для воды является активностью воды $a_{w}$ Полем Добавление к давлению выражается через выражение для энергии расширения:

\mu _{v}^{o}(p+\Pi )=\mu _{v}^{0}(p)+\int _{p}^{p+\Pi }\!V_{m}(p')\,dp',

где $V_{m}$ является молярным объемом (м³/моль). Вставка выражения, представленного выше в уравнение химического потенциала для всей системы, и перестройка поступит:

-RT\ln(\gamma _{v}x_{v})=\int _{p}^{p+\Pi }\!V_{m}(p')\,dp'.

Если жидкость несжимаемое, молярный объем является постоянным, $V_{m}(p')\equiv V_{m}$ и интеграл становится $\Pi V_{m}$ Полем Таким образом, мы получаем

\Pi =-(RT/V_{m})\ln(\gamma _{v}x_{v}).

Коэффициент активности является функцией концентрации и температуры, но в случае разбавленных смесей это часто очень близко к 1,0, поэтому

\Pi =-(RT/V_{m})\ln(x_{v}).

Моль -доля растворенного вещества, $x_{s}$ , является $1-x_{v}$ , так $\ln(x_{v})$ можно заменить на $\ln(1-x_{s})$ , который, когда $x_{s}$ маленький, может быть аппроксимирован $-x_{s}$ .

\Pi =(RT/V_{m})x_{s}.

Моль -дробь $x_{s}$ является $n_{s}/(n_{s}+n_{v})$ Полем Когда $x_{s}$ маленький, это может быть аппроксимировано $x_{s}=n_{s}/n_{v}$ Полем Кроме того, молярный объем $V_{m}$ может быть написан как объем на моль, $V_{m}=V/n_{v}$ Полем Объединение их дает следующее.

\Pi =cRT.

Для водных решений солей необходимо учитывать ионизация. Например, 1 моль NaCl ионизирует до 2 молей ионов.

Смотрите также

Гиббс - Доннан эффект

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^{беременный} Voet D, Aadil J, Pratt CW (2001). Основы биохимии (Rev. Ed.). Нью -Йорк: Уайли. п. 30. ISBN 978-0-471-41759-0 .
^ Atkins PW, De Paula J (2010). «Раздел 5.5 (e)». Физическая химия (9 -е изд.). Издательство Оксфордского университета . ISBN 978-0-19-954337-3 .
^ Льюис Г.Н. (1908-05-01). «Осмотическое давление концентрированных растворов и законы идеального решения» . Журнал Американского химического общества . 30 (5): 668–683. doi : 10.1021/ja01947a002 . ISSN 0002-7863 . Архивировано из оригинала 2022-06-18 . Получено 2019-07-04 .
^ Эстеки М.Х., Маландрино А., Алемраджаби А.А., Шеридан Г.К., Чарарас Г, Моэндарбай Е (декабрь 2021 г.). «Seopus Osmoregulation объема клеток лавообразования » ISCAING 24 (12): 103482. Bibcode : 2021isci ... 24J3482E Doi : 10.1016/ j.isci.2021.1 PMC 8649806 34927026PMID

Внешние ссылки

Что такое осмос? Объяснение и понимание физического явления

[voet-1] Jump up to: ^а ^{беременный} Voet D, Aadil J, Pratt CW (2001). Основы биохимии (Rev. Ed.). Нью -Йорк: Уайли. п. 30. ISBN 978-0-471-41759-0 .

[2] Atkins PW, De Paula J (2010). «Раздел 5.5 (e)». Физическая химия (9 -е изд.). Издательство Оксфордского университета . ISBN 978-0-19-954337-3 .

[:0-3] Льюис Г.Н. (1908-05-01). «Осмотическое давление концентрированных растворов и законы идеального решения» . Журнал Американского химического общества . 30 (5): 668–683. doi : 10.1021/ja01947a002 . ISSN 0002-7863 . Архивировано из оригинала 2022-06-18 . Получено 2019-07-04 .

[4] Эстеки М.Х., Маландрино А., Алемраджаби А.А., Шеридан Г.К., Чарарас Г, Моэндарбай Е (декабрь 2021 г.). «Seopus Osmoregulation объема клеток лавообразования » ISCAING 24 (12): 103482. Bibcode : 2021isci ... 24J3482E Doi : 10.1016/ j.isci.2021.1 PMC 8649806 34927026PMID

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]