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12.11:

Osmosi e pressione osmotica delle soluzioni

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Chemistry
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Osmosis and Osmotic Pressure of Solutions

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Una membrana semipermeabile consente il passaggio di alcune sostanze, ma non di altre. Questo movimento di molecole di solvente attraverso una membrana semipermeabile, verso una soluzione con maggiore concentrazione di soluto, è chiamato osmosi. Si consideri un tubo a U contenente acqua pura a sinistra, e una soluzione zuccherina a destra, separate da una membrana semipermeabile.Le molecole d’acqua fluiranno verso la soluzione zuccherina ad una velocità maggiore rispetto al contrario, per cercare di stabilire un equilibrio di concentrazione. Quando l’acqua scorre a destra, il livello del liquido nelle due braccia diventa disuguale. Alla fine, il peso aggiunto dell’acqua in eccesso sulla destra crea una pressione sufficiente per fermare l’osmosi.La pressione minima richiesta per fermare l’osmosi è detta pressione osmotica. È una proprietà colligativa che dipende dalla concentrazione di soluto nella soluzione. All’aumentare della concentrazione del soluto, proporzionalmente la pressione osmotica aumenta.La pressione osmotica, Π, può essere calcolata moltiplicando la molarità del soluto per la temperatura in kelvin e la costante del gas ideale R, 0, 0821 litri-atmosfera per mole kelvin. Se la concentrazione della soluzione zuccherina è 1, 00 molare, quindi a 25°C o 298 K, la pressione osmotica sarà di 24, 5 atmosfere. Se la pressione osmotica delle due soluzioni è uguale, vengono chiamate isotoniche.Se una soluzione ha una pressione osmotica inferiore, allora è ipotonica rispetto alla soluzione con una maggiore concentrazione di soluto. La soluzione concentrata è detta ipertonica rispetto alla soluzione diluita. Quando i globuli rossi vengono posti in una soluzione ipertonica, l’acqua esce dai pori della membrana cellulare semipermeabile.Questo processo è detto crenazione”e fa avvizzire le cellule. Al contrario, se i globuli rossi sono posti in una soluzione ipotonica, l’acqua si sposta dall’esterno nelle cellule, provocandone il rigonfiamento e la rottura in un processo detto emolisi. Quando ai somministrano liquidi per via endovenosa, i fluidi devono essere isotonici con la soluzione intracellulare di cellule del sangue per prevenire la crenazione o l’emolisi.

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Osmosi e pressione osmotica delle soluzioni

Un certo numero di materiali naturali e sintetici mostrano una permeazione selettiva, il che significa che solo molecole o ioni di una certa dimensione, forma, polarità, carica e così via, sono in grado di passare attraverso (permeare) il materiale. Le membrane cellulari biologiche forniscono eleganti esempi di permeazione selettiva in natura, mentre i tubi di dialisi utilizzati per rimuovere i rifiuti metabolici dal sangue sono un esempio tecnologico più semplicistico. Indipendentemente da come possono essere fabbricati, questi materiali sono generalmente indicati come membrane semipermeabili.

Si consideri un apparato a forma di U, in cui campioni di solvente puro e una soluzione sono separati da una membrana che solo le molecole di solvente possono permeare. Le molecole di solvente si diffonderanno attraverso la membrana in entrambe le direzioni. Poiché la concentrazione di solvente è maggiore nel solvente puro rispetto alla soluzione, queste molecole si diffonderanno dal lato solvente della membrana al lato della soluzione ad una velocità più veloce di quella che faranno nella direzione inversa. Il risultato è un trasferimento netto di molecole di solvente dal solvente puro alla soluzione. Il trasferimento guidato dalla diffusione di molecole di solvente attraverso una membrana semipermeabile è un processo noto come osmosi.

Quando l’osmosi viene eseguita in un apparato sopra descritto, il volume della soluzione aumenta man mano che viene diluita dall’accumulo di solvente. Ciò fa aumentare il livello della soluzione, aumentando la sua pressione idrostatica (a causa del peso della colonna della soluzione nel tubo) e risultando in un più rapido trasferimento di molecole di solvente al lato solvente puro. Quando la pressione raggiunge un valore che produce una velocità di trasferimento inversa del solvente pari al tasso di osmosi, il trasferimento sfuso di solvente cessa. Questa pressione è chiamata pressione osmotica (Π) della soluzione. La pressione osmotica di una soluzione diluita è correlata alla sua molarità soluta, M, e alla temperatura assoluta, T, secondo l’equazione

 Eq1

dove R è la costante universale del gas.

Se una soluzione viene posta in un tale apparato, l’applicazione di una pressione maggiore della pressione osmotica della soluzione inverte l’osmosi e spinge le molecole di solvente dalla soluzione nel solvente puro. Questa tecnica di osmosi inversa viene utilizzata per la desalinizzazione su larga scala dell’acqua di mare e su scale più piccole per produrre acqua di rubinetto ad alta purezza per bere.

Questo testo è adattato da Openstax, Chimica 2e, Sezione 11.4: Proprietà Colligative.

Suggested Reading

  1. Goodhead, Lauren K., and Frances M. MacMillan. "Measuring osmosis and hemolysis of red blood cells." Advances in physiology education 41, no. 2 (2017): 298-305.
  2. Garbarini, G. R., R. F. Eaton, T. K. Kwei, and A. V. Tobolsb. "Diffusion and reverse osmosis through polymer membranes." Journal of Chemical Education 48, no. 4 (1971): 226.
  3. Hitchcock, David I. "Osmotic pressure and molecular weight." Journal of Chemical Education 28, no. 9 (1951): 478.