Явление осмоса.

Тепловому движению в растворах в равной мере подвержены частицы как растворенных веществ, так и растворителя. В результате этого происходит взаимная диффузия частиц растворителя и растворенных веществ, что приводит к выравниванию концентрации во всем объеме раствора. Так, при наличии в растворе двух участков с разными концентрациями С₁ > С₂ происходит диффузия растворенного вещества из области 1 (с большей концентрацией) в область 2 (с меньшей концентрацией), а растворителя - из области 2 в область 1. Если эти области отделить друг от друга перегородкой, проницаемой только для частиц растворителя и задерживающей частицы растворенного вещества, то диффузия будет односторонней. Но и в этом случае она направлена на выравнивание концентрации во всем объеме системы.

Перегородку, способную задерживать растворенные вещества, но проницаемую для растворителя, называют полупроницаемой (полупроницаемые мембраны). Одни из мембран пропускают воду, но не позволяют пройти ионам солей. Другие, с большими порами, пропускают воду, соли и небольшие молекулы, но задерживают белки или макромолекулы, имеющие молекулярную массу порядка нескольких тысяч.

Такими свойствами по отношению к водным растворам обладают целлофан, пергамент, стенки кишечника, мочевой пузырь и т.п.

Явление самопроизвольного переноса растворителя через полупроницаемую перегородку называют осмосом. Он сопровождает многие биологические процессы и находит широкое применение в лабораторной практике. Благодаря ему происходят обменные процессы в растениях и животных организмах.

Создавая в более концентрированном растворе давление, можно воспрепятствовать осмотическому переходу растворителя через полупроницаемую перегородку. Давление, которое требуется создать в растворе, чтобы остановить осмос из чистого растворителя в раствор, называется осмотическим давлением этого раствора. Очевидно, что осмотическое давление - результат осмоса.

Рассмотрим на примере.

Рис.1. Опыт, демонстрирующий осмотическое давление

Допустим, что в стакане (рис.1, а) находится чистая вода, а в нее погружена расширяющаяся в нижней части трубка, закрытая снизу мембраной. В трубку налит водный раствор вещества А. Далее, предположим, что молекулы воды могу беспрепятственно проходить сквозь мембрану, но она не пропускает молекулы вещества А. Скорость просачивания молекул воды в трубку из раствора в стакане не зависит от наличия вещества А, но скорость поступления молекул воды обратно из трубки в стакан уменьшается из-за присутствия вещества А. Поскольку в трубку просачивается больше воды, чем одновременно уходит из нее, раствор в трубке поднимается, как это изображено на рис.1, б.

По мере повышения давления в трубке (это давление может измеряться высотой столба раствора) способность к просачиванию молекул воды в трубке повышается. В конце концов достигается такое состояние, когда результирующая скорость вытекания воды из трубки становится такой же, какой она должна быть в отсутствие растворенного вещества, и равновесие с водой в открытом стакане снова восстанавливается (рис.1, в).

Изучая осмотические явления, Вант-Гофф в 1887 г. установил, что осмотическое давление не зависит от природы растворителя. В сильно разбавленных растворах неэлектролитов, сообщающихся через полупроницаемую перегородку с чистым растворителем, осмотическое давление Росм. пропорционально молярной концентрации раствора С_м: Росм. = С_мRТ

Отметим, что уравнение для осмотического давления напоминает закон состояния идеального газа. Идеальным считается такой газ, молекулы которого не притягиваются друг к другу; в идеальном растворе, для которого выполняется уравнение осмотического давления, все молекулы характеризуются одинаковым притяжением друг к другу.