Осмос и осмотическое давление

Диффузия может проходить также, если на границе раствора и чи­стого растворителя (или двух растворов различной концентрации) по­местить полупроницаемую перегородку — мембрану. Полупроницае­мые перегородки способны пропускать только молекулы растворителя и не пропускают молекулы растворенного вещества. Свойством полу­проницаемости обладают многие природные пленки (стенки клеток живых и растительных организмов, стенки кишечника, протоплазма и др.), а также пленки искусственного происхождения (целлофан, пергамент, пленки из коллодия, желатины). Односторонняя само­произвольная диффузия молекул растворителя через полупроницае­мую мембрану в раствор или из раствора с низкой концентрацией в раствор с высокой концентрацией называется осмосом.

Процесс осмоса очень сложен и природа его в настоящее время еще недостаточно выяснена.

Механизм осмоса может быть различен и зависит в основном от при­роды мембраны. В одних случаях мембрана взаимодействует с раство­рителем, образуя с ним непрочные соединения промежуточного харак­тера. В других случаях через мембрану могут свободно проходить только те вещества, которые обладают способностью растворяться в ней. Мембрана может представлять собой просто пористую перего­родку с порами определенного размера. Осмос можно наблюдать в спе­циальных приборах, которые называются осмометрами. Простейшая схема осмометра приведена на рис. 1.

Основной его деталью является осмометрическая ячейка 1, отделенная от сосуда 2 с чистым раство­рителем полупроницаемой мембраной, пропускающей только молекулы растворителя, но не растворенного вещества. Ячейку с концентрирован­ным раствором погружают в сосуд с растворителем — менее концентри­рованным раствором. Спустя некоторое время отмечается значительное повышение уровня жидкости в трубке. Объясняется это тем, что с по­верхностью мембраны снизу сталкивается больше молекул раствори­теля, чем сверху, так как сверху часть поверхности занята также мо­лекулами растворенного вещества, не проникающего сквозь мембрану. Поэтому в единицу времени вверх переходит значительно больше молекул растворителя, чем в обратном направлении.

Рис.1.

В этом случае мы сталкиваемся с про­явлением одного из общих свойств есте­ственных самопроизвольных процессов: в природе самопроизвольно протекают про­цессы, направленные в сторону выравни­вания в системе температур, давлений, электрических потенциалов, концентраций и т. д. Эти процессы находятся в полном соответствии со вторым началом термоди­намики. Концентрация растворителя в со­суде 2 больше, чем в ячейке, и поэтому поток растворителя направлен в сторону ячейки. Уровень жидкости в осмометрической трубке будет повышаться, пока гид­ростатическое давление столба жидкости высотой hне задержит осмос. В этом слу­чае уравновешиваются скорости прохож­дения растворителя из наружного сосуда в ячейку и из ячейки в наружный раст­вор, подъем жидкости в осмометре прекра­щается. Гидростатическое давление, кото­рое надо приложить к раствору, что­бы задержать осмос, называют осмотическим давлением. Осмотическое давление растворов обычно измеряют или рассчитывают по отношению к чистому растворителю. Измеряется осмотическое давление в атмосфе­рах или в миллиметрах ртутного столба (н/м²).

Как показали исследования, осмотическое давление зависит в первую очередь от концентрации раствора и может достигать больших значений. Так, 6%-ный раствор сахара имеет осмотическое давление 60 800 н/м², морская вода 2 840 000 н/м², рассолы самосадочных озер—более 20 300 000 н/м².