Presiune osmotica

Presiunea osmotică este o proprietate coligative asociată cu soluții . Când două soluții cu același solvent , dar la concentrații diferite de substanță dizolvată , sunt separate de o membrană semipermeabilă (adică care permite trecerea moleculelor de solvent, dar nu și molecule de substanță dizolvată), moleculele solventului se deplasează din soluție cu o concentrație mai mică de substanță dizolvată (prin urmare, o concentrație mai mare de solvent) la soluția cu concentrație mai mare de substanță dizolvată (prin urmare, concentrație mai mică de solvent), pentru a egala (sau mai bine, apropia) concentrațiile celor două soluții. Presiunea care trebuie aplicată soluției astfel încât trecerea solventului să nu aibă loc se numește „presiune osmotică”.

Interpretarea fizică

Echipament experimental folosit de Wilhelm Friedrich Philipp Pfeffer pentru determinarea presiunii osmotice.

Mecanismul prin care se produce o presiune osmotică poate fi interpretată prin luarea în considerare în primul rând că particulele unei solut tind să se disperseze uniform în solvent , chiar și împotriva gravitației , la fel ca și cele ale unui gaz tind să ocupe tot spațiul disponibil pentru a le: solut Prin urmare , particulele exercita o presiune similară cu gazos presiune .

Dacă luăm în considerare un sistem format dintr-o soluție și solventul său pur separat de o membrană semipermeabilă, numărul de molecule de solvent care traversează membrana către soluție în unitatea de timp este mai mare decât numărul de molecule de solvent care o traversează. sens opus, deoarece în primul caz moleculele care intră în contact cu membrana sunt toate solvente, în al doilea caz există un anumit procent de particule dizolvate ^{[ Necesită citare ],} care nu trec , dar care exercită încă o presiune cu ciocnirile lor asupra membranei, tocmai presiunea osmotică. Mecanismul responsabil pentru trecerea solventului spre soluția cu concentrație mai ridicată se crede în prezent a fi legate de interacțiunile moleculelor de solut cu membrana ^[1] și transferul ulterior la moleculele de solvent din momentul scoaterii din membrana.

Presiunea generată de ciocnirile moleculelor de solut nu este direct măsurabilă, în timp ce presiunea hidrostatică care este determinată în soluție , datorită numărului mai mare de molecule de solvent ea intră decât cei care părăsesc este măsurabilă.

Wilhelm Friedrich Philipp Pfeffer și Jacobus Henricus van „t Hoff au verificat legi, paralele cu cele ale gazelor, care exprimă tendința presiunii osmotice ca funcție a concentrației și a temperaturii ; aceste legi, în cazul soluțiilor de non-electroliti, sunt cuprinse într - o relație destul de similar cu ecuația de stare pentru gazele ideale :

\pi V=nRT\;

{\ displaystyle \ pi V = nRT \;}

{\ displaystyle \ pi V = nRT \;}

În cazul electroliti , este necesar să se multiplice al doilea membru de van „t Hoff i coeficientul , obținerea van“ t Hoff ecuația :

\pi =iMRT\;

{\ displaystyle \ pi = iMRT \;}

{\ displaystyle \ pi = iMRT \;}

În cazul în care pentru ambele cazuri avem:

$\pi$ ${\ displaystyle \ pi}$ $\ pi$ este presiunea osmotică;
$V.$ ${\ displaystyle V}$ $V.$ este volumul soluției;
$T.$ ${\ displaystyle T}$ $T.$ este temperatura absolută (exprimată în grade Kelvin );
$n$ ${\ displaystyle n}$ $n$ sunt molii de solut;
$R.$ ${\ displaystyle R}$ $R.$ este constanta universală a gazelor (egal cu 8.314472 J / mol · K);
$M.$ ${\ displaystyle M}$ $M.$ este molaritatea solutului în soluție.

Soluții hipotonice, izotonice și hipertonice

In chimie aceasta este posibil să se indice presiunea osmotică a unei anumite soluții în termeni cantitativi, cunoașterea sa molaritate și temperatură , sau în raport cu presiunea osmotică a unei alte soluții, luată ca referință. În acest din urmă caz, soluția poate avea o presiune osmotică mai mică, egală sau mai mare decât cea cu care este comparată. Apoi se spune că soluția este, respectiv, hipotone, izotone sau hipertone în raport cu cea la care este comparat, ^[2] în funcție de gradul de tonicitate între cele două soluții.

În special, indiferent de natura solutului, soluții având aceeași concentrația au aceeași presiune osmotică și sunt numite izotonice; soluțiile hipertonice apar în loc atunci când presiunea internă este mai mare decât cea externă, în timp ce soluțiile hipotone vice - versa.

Acest tip de dicție, chiar dacă este pur orientativ, este util atunci când cele două soluții sunt separate de o membrană semipermeabilă , deoarece permite deducerea unui posibil fenomen de osmoză și este recurent în biologie unde fenomenele de osmoză între membrane au consecințe semnificative pentru fiziologia celule.

Derivarea termodinamică

Efectul presiunii osmotice

Pentru a obține expresia de mai sus referitoare la presiunea osmotică, trebuie să luăm în considerare sistemul constând din două soluții (α și β) la echilibru, cu concentrații diferite ale componentelor A (solvent) și B (dizolvat). Mai precis, să presupunem că soluția α constă din solvent pur (A). Cele două soluții sunt separate de o membrană permeabilă numai componentei A.

Deoarece cele două soluții sunt în contact prin membrană, la echilibru ^{[ neclar ]} vom avea egalitatea potențialelor chimice ale unei componente din cele două soluții, adică:

\mu _{A}^{\alpha }=\mu _{A}^{\beta }

{\ displaystyle \ mu _ {A} ^ {\ alpha} = \ mu _ {A} ^ {\ beta}}

\ mu_A ^ \ alpha = \ mu_A ^ \ beta

de la care:

\mu _{A}^{*\alpha }=\mu _{A}^{*\beta }+RT\cdot \ln(x_{A})

{\ displaystyle \ mu _ {A} ^ {* \ alpha} = \ mu _ {A} ^ {* \ beta} + RT \ cdot \ ln (x_ {A})}

{\ displaystyle \ mu _ {A} ^ {* \ alpha} = \ mu _ {A} ^ {* \ beta} + RT \ cdot \ ln (x_ {A})}

^[3]

in care $x_{A}$ ${\ displaystyle x_ {A}}$ $x_A$ este fracția molară a solventului în p soluție, $R.$ ${\ displaystyle R}$ $R.$ este constanta universală a gazelor , e $T.$ ${\ displaystyle T}$ $T.$ Este temperatura .

$\mu _{A}^{*\alpha }$ ${\ displaystyle \ mu _ {A} ^ {* \ alpha}}$ $\ mu_A ^ {* \ alpha}$ Și $\mu _{A}^{*\beta }$ ${\ displaystyle \ mu _ {A} ^ {* \ beta}}$ $\ mu_A ^ {* \ beta}$ se referă la două presiuni diferite, deci au valori diferite. Mai exact, apelăm respectiv $p$ ${\ displaystyle p}$ $p$ presiunea exercitată asupra membranei din partea soluției α e $p^{'}$ ${\ displaystyle p '}$ $p '$ presiunea exercitată asupra membranei din partea soluției β. ^[4]

fiind schimbarea potențialului chimic al unei componente $the$ ${\ displaystyle i}$ $the$ în condiții izoterme egale cu volumul parțial molar, adică $\left({\frac {\partial \mu _{i}}{\partial p}}\right)_{T}={\bar {v}}$ ${\ displaystyle \ left ({\ frac {\ partial \ mu _ {i}} {\ partial p}} \ right) _ {T} = {\ bar {v}}}$ $\ left (\ frac {\ partial \ mu_i} {\ partial p} \ right) _T = \ bar v$ , înlocuind obținem:

-RT\cdot \ln(x_{A})=\int _{p'}^{p}V_{a}dP=V_{a}(p-p')

{\ displaystyle -RT \ cdot \ ln (x_ {A}) = \ int _ {p '} ^ {p} V_ {a} dP = V_ {a} (p-p')}

{\ displaystyle -RT \ cdot \ ln (x_ {A}) = \ int _ {p '} ^ {p} V_ {a} dP = V_ {a} (p-p')}

diferența dintre presiuni $p$ ${\ displaystyle p}$ $p$ Și $p^{'}$ ${\ displaystyle p '}$ $p '$ este tt presiunii osmotice, prin urmare:

-RT\cdot \ln(x_{A})=\int _{p'}^{p}V_{a}dP=V_{a}\cdot \pi

{\ displaystyle -RT \ cdot \ ln (x_ {A}) = \ int _ {p '} ^ {p} V_ {a} dP = V_ {a} \ cdot \ pi}

{\ displaystyle -RT \ cdot \ ln (x_ {A}) = \ int _ {p '} ^ {p} V_ {a} dP = V_ {a} \ cdot \ pi}

pentru soluțiile diluate, sunt valabile următoarele aproximări:

-\ln(x_{A})\simeq 1-x_{A}=x_{B}\simeq n_{B}/n_{A}

{\ displaystyle - \ ln (x_ {A}) \ simeq 1-x_ {A} = x_ {B} \ simeq n_ {B} / n_ {A}}

{\ displaystyle - \ ln (x_ {A}) \ simeq 1-x_ {A} = x_ {B} \ simeq n_ {B} / n_ {A}}

in care $n_{B}$ ${\ displaystyle n_ {B}}$ $n_B$ Și $n_{A}$ ${\ displaystyle n_ {A}}$ $n / A$ indicați molii lui A și B în soluția β și $x_{B}$ ${\ displaystyle x_ {B}}$ $x_B$ este fracția molară a lui B în soluția β.

Prin efectuarea înlocuirilor corespunzătoare, obținem:

{\frac {n_{B}}{n_{A}}}={\frac {v_{A}\cdot \pi }{RT}}

{\ displaystyle {\ frac {n_ {B}} {n_ {A}}} = {\ frac {v_ {A} \ cdot \ pi} {RT}}}

\ frac {n_B} {n_A} = \ frac {v_A \ cdot \ pi} {RT}

dar fiind $n_{a}v_{A}+n_{B}v_{B}=V$ ${\ displaystyle n_ {a} v_ {A} + n_ {B} v_ {B} = V}$ ${\ displaystyle n_ {a} v_ {A} + n_ {B} v_ {B} = V}$ , cu V egal cu volumul β, obținem în cele din urmă:

\pi ={\frac {n_{B}}{V}}\cdot RT=C_{B}\cdot RT

{\ displaystyle \ pi = {\ frac {n_ {B}} {V}} \ cdot RT = C_ {B} \ cdot RT}

\ pi = \ frac {n_B} {V} \ cdot RT = C_B \ cdot RT

cu $C_{B}$ ${\ displaystyle C_ {B}}$ $C_B$ egală cu concentrația molară a lui B în β.

Trebuie subliniat faptul că, deși expresia presiunii osmotice și ecuația de stare a gazelor ideale sunt formal similare, derivarea lor termodinamică, și , prin urmare , semnificația lor fizică, este foarte diferit.

Osmoza inversa

Osmoza inversă este o aplicație importantă modernă a principiilor osmozei în procesele de purificare sau de desalinizare a apei, sau pentru concentrația la rece a soluțiilor apoase.

Importanța presiunii osmotice și osmoza inversă pentru ființele vii

Presiunea osmotică a celulare și intercelulare lichide joacă un rol foarte important pentru ființele vii , iar valoarea sa, ca și cea a altor constante fizico-chimice referitoare la mediul intern al organismelor , nu poate varia dincolo de anumite limite , fără a compromite funcționalitatea și supraviețuirea de celule (vezi homeostazia ).

Presiunea osmotică determină concentrația plasmatică proteinelor .

Mecanismul de osmoza inversa este de asemenea prezent în natură, de exemplu , în pompa de sodiu-potasiu , care reglează concentrația de sodiu și potasiu ioni în interiorul celulelor.

Calculul greutăților moleculare prin procesul de osmoză

Aparat experimental pentru determinarea greutăților moleculare prin osmoză.

a) capilară
b) inel de cauciuc
c) capac
d) inel de cauciuc
e) soluție de zahăr cu colorant alimentar

f) membrana semipermeabilă.

Luați un tub de sticlă , cu o parte închisă printr - o membrană semipermeabilă, în acest caz , permeabil la apă și nu la zahăr , și umple - l cu o soluție de apă și zahăr. Luați un alt recipient și umpleți-l cu apă. Dacă tubul de sticlă este scufundat în recipientul de apă cu membrana semipermeabilă în jos, nivelurile de apă pură și soluția de apă-zahăr vor fi diferite pentru o înălțime. $\Delta z$ ${\ displaystyle \ Delta z}$ $\ Delta z$ . Aceasta înseamnă că presiunea apei și cea a soluției sunt diferite cu o cantitate

\Delta p=\rho gz

{\ displaystyle \ Delta p = \ rho gz}

\ Delta p = \ rho g z

unde este:

ρ este densitatea zahărului în soluție;
g este accelerația gravitației .

Această diferență se datorează prezenței zahărului și este presiunea osmotică a zahărului în soluție.

Tot prin plasare $\pi =\rho gz$ ${\ displaystyle \ pi = \ rho gz}$ $\ pi = \ rho g z$ și înlocuind expresia c (g / litru) / PM cu n _solut / V, unde c este concentrația soluției și PM greutatea moleculară a unui solut, obținem expresia:

PM=cRT/\rho gz

{\ displaystyle PM = cRT / \ rho gz}

{\ displaystyle PM = cRT / \ rho gz}

cu PM necunoscut. PM poate fi , de exemplu , greutatea moleculară a unei necunoscute proteină prezentă într - o soluție, la o concentrație cunoscută, din care entitatea urmează să fie cunoscută.

Notă

^ Philip Nelson, Fizică biologică, WH Freeman, 16 decembrie 2013, ISBN 978-0-7167-9897-2 .
^ Silvestroni , p. 278.
^ Ln indica naturale sau baza logaritmului $Și$ ${\ displaystyle e}$ $Și$ , unde este $Și$ ${\ displaystyle e}$ $Și$ este numărul de Napier .
^ Mai precis, trebuie să fie luate în considerare presiunea transmembranară.

Bibliografie

Paolo Silvestroni, Fundamentals of chemistry , ed. A X-a, CEA, 1996, ISBN 88-408-0998-8 .

Elemente conexe

Alte proiecte

Wikimedia Commons conține imagini sau alte fișiere pe presiune osmotică

linkuri externe

(EN) Presiunea osmotică , în Enciclopedia Britanică , Encyclopædia Britannica, Inc.
(RO) IUPAC aur de carte, "presiune osmotică" , pe goldbook.iupac.org.

Controlul autorității	Thesaurus BNCF 38945 · GND (DE) 4172912-2

Portalul chimiei

Portalul Termodinamicii

[BioPhys-1] Philip Nelson, Fizică biologică, WH Freeman, 16 decembrie 2013, ISBN 978-0-7167-9897-2 .

[2] Silvestroni , p. 278.

[3] Ln indica naturale sau baza logaritmului $Și$ ${\ displaystyle e}$ $Și$ , unde este $Și$ ${\ displaystyle e}$ $Și$ este numărul de Napier .

[4] Mai precis, trebuie să fie luate în considerare presiunea transmembranară.

[1]

[2]

[3]

[4]