Osmoza i ciśnienie osmotyczne roztworów

Wiele materiałów naturalnych i syntetycznych wykazuje selektywną przenikanie, co oznacza, że tylko cząsteczki lub jony o określonej wielkości, kształcie, polarności, ładunku i tak dalej są w stanie przejść przez (przenikać) materiał. Biologiczne błony komórkowe stanowią eleganckie przykłady selektywnego przenikania w przyrodzie, podczas gdy rurki do dializy używane do usuwania odpadów metabolicznych z krwi są bardziej uproszczonym przykładem technologicznym. Niezależnie od tego, w jaki sposób mogą być wykonane, materiały te są ogólnie określane jako membrany półprzepuszczalne.

Rozważmy aparat w kształcie litery U, w którym próbki czystego rozpuszczalnika i roztworu są oddzielone membraną, przez którą mogą przenikać tylko cząsteczki rozpuszczalnika. Cząsteczki rozpuszczalnika będą dyfundować przez membranę w obu kierunkach. Ponieważ stężenie rozpuszczalnika jest większe w czystym rozpuszczalniku niż w roztworze, cząsteczki te będą dyfundować od strony rozpuszczalnika membrany do strony roztworu w szybszym tempie niż w odwrotnym kierunku. Rezultatem jest transfer netto cząsteczek rozpuszczalnika z czystego rozpuszczalnika do roztworu. Napędzany dyfuzją transfer cząsteczek rozpuszczalnika przez półprzepuszczalną membranę jest procesem znanym jako osmoza.

Gdy osmozę przeprowadza się w aparacie opisanym powyżej, objętość roztworu zwiększa się, gdy ulega on rozcieńczeniu przez nagromadzenie rozpuszczalnika. Powoduje to wzrost poziomu roztworu, zwiększając jego ciśnienie hydrostatyczne (ze względu na ciężar kolumny roztworu w rurce) i powodując szybszy transfer cząsteczek rozpuszczalnika z powrotem na stronę czystego rozpuszczalnika. Gdy ciśnienie osiągnie wartość, która daje szybkość odwrotnego transferu rozpuszczalnika równą szybkości osmozy, masowy transfer rozpuszczalnika ustaje. Ciśnienie to nazywane jest ciśnieniem osmotycznym (Π) roztworu. Ciśnienie osmotyczne rozcieńczonego roztworu jest związane z jego molowością substancji rozpuszczonej, M, i temperaturą bezwzględną, T, zgodnie z równaniem

gdzie R jest uniwersalną stałą gazową.

Jeśli roztwór zostanie umieszczony w takim urządzeniu, zastosowanie ciśnienia większego niż ciśnienie osmotyczne roztworu odwraca osmozę i wypycha cząsteczki rozpuszczalnika z roztworu do czystego rozpuszczalnika. Ta technika odwróconej osmozy jest stosowana do odsalania wody morskiej na dużą skalę, a na mniejszą skalę do produkcji wody z kranu o wysokiej czystości do picia.

Ten tekst został zaadaptowany z Openstax, Chemia 2e, Sekcja 11.4: Właściwości koligatywne.