6.7
Osmotischer Druck
Osmose ist ein Prozess, bei dem Lösungsmittelmoleküle durch eine halbdurchlässige Membran auf eine Lösung zusteuern. Wenn sich die Lösung durch das Ei…
Osmose ist die Bewegung des Lösungsmittels über eine semipermeable Membran hin zu einer Lösung mit höherer gelöster Stoffkonzentration.
Wenn sich die Lösung durch das zugesetzte Lösungsmittel verdünnt und ausdehnt, steigt ihr hydrostatischer Druck, also der Druck, den eine Flüssigkeit im Gleichgewicht durch die Schwerkraft ausübt, was schließlich die Osmose stoppt.
Der osmotische Druck, Π, ist der Druck, der auf eine Lösung ausgeübt werden muss, um den Lösungsmittelzufluss zu verhindern.
Das Π einer idealen Lösung wird mit der van't-Hoff-Gleichung berechnet, die Π mit der Konzentration des gelösten Stoffes korreliert.
Dennoch sind Lösungen von Makromolekülen wie Polymeren aufgrund ausgeschlossener Volumeneffekte und Polymer-Polymer-Wechselwirkungen nicht ideal. Daher werden ihre molaren Massen, M, mit der erweiterten van't-Hoff-Gleichung berechnet, die den osmotischen Virialkoeffizienten B betrifft.
Um diese Gleichung zu vereinfachen, werden beide Seiten durch die molare Konzentration des Polymers J geteilt, die das Verhältnis der Massenkonzentration cMasse J zu M ist.
Das Plotten der Π/c-Masse, J gegen dieC-Masse, J bei verschiedenen J-Konzentrationen, ermöglicht die Schätzung des M-Werts aus dem Schnittpunkt und anschließend des B-Werts aus der Steigung.
View the full transcript and gain access to JoVE Core videos
Q1: What is osmotic pressure and how does it form?
Osmotic pressure, denoted Π, is the minimum pressure required to prevent solvent from moving across a semipermeable membrane into a solution. It develops as solvent molecules move toward higher solute concentrations, diluting the solution and increasing its hydrostatic pressure until equilibrium is reached and osmosis stops.
Q2: How does the van't Hoff equation calculate osmotic pressure?
The van't Hoff equation correlates osmotic pressure with solute concentration for ideal solutions, where solute-solvent interactions match those among solvent molecules. This equation provides a straightforward method to compute osmotic pressure from known concentrations, making it fundamental for understanding colligative properties.
Q3: Why do polymer solutions require a modified van't Hoff equation?
Polymer solutions are non-ideal due to excluded volume effects, where polymer chains cannot occupy certain spaces due to unfavorable overlapping, causing them to spread out more than ideal chains. Additionally, polymer-solvent interactions differ from solvent-solvent interactions, necessitating an expanded van't Hoff equation with the osmotic virial coefficient B.
Q4: How is polymer molar mass determined from osmotic pressure data?
By plotting osmotic pressure divided by mass concentration (Π/cmass,J) versus mass concentration (cmass,J) at various polymer concentrations, the molar mass M is determined from the y-intercept of the resulting line. The osmotic virial coefficient B is then calculated from the slope.
Q5: What role does hydrostatic pressure play in stopping osmosis?
As solvent enters the solution through the semipermeable membrane, the solution expands and its hydrostatic pressure increases. When hydrostatic pressure equals osmotic pressure, the driving force for solvent movement ceases, halting osmosis and establishing equilibrium across the membrane between solutions.
Q6: What is excluded volume effect in polymer solutions?
Excluded volume effect describes the space a polymer chain cannot occupy due to unfavorable chain overlapping. This causes polymer molecules to be more spread out than ideal polymer chains would be, affecting their osmotic behavior and requiring corrections to the van't Hoff equation for accurate molar mass calculations.
Q7: How does osmosis differ between ideal and nonideal two component liquid solutions?
Ideal solutions follow the van't Hoff equation directly because solute-solvent interactions match solvent-solvent interactions. Nonideal two component liquid solutions like polymer systems deviate due to excluded volume effects and different intermolecular interactions, requiring the expanded van't Hoff equation with the osmotic virial coefficient for accurate pressure calculations.