Ciśnienie osmotyczne: Różnice pomiędzy wersjami

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
[wersja nieprzejrzana][wersja nieprzejrzana]
Usunięta treść Dodana treść
Radison (dyskusja | edycje)
→‎Równanie van't Hoffa: poprawiono literówkę
różne zmiany uściślające
Linia 1: Linia 1:
'''Ciśnienie osmotyczne''' jest wartością ciśnienia wywieranego na [[membrana półprzepuszczalna|półprzepuszczalną membranę]] przez 2 ciecze, które ta membrana rozdziela. Przyczyną pojawienia się ciśnienia osmotycznego jest różnica stężeń [[związek chemiczny|związków chemicznych]] lub [[jon|jonów]] w roztworach po obu stronach membrany i dążenie układu do ich wyrównania.
'''Ciśnienie osmotyczne''' - różnica [[ciśnienie|ciśnień]] wywieranych na [[membrana półprzepuszczalna|półprzepuszczalną membranę]] przez dwie [[ciecz]]e, które ta membrana rozdziela. Przyczyną pojawienia się ciśnienia osmotycznego jest różnica stężeń [[związek chemiczny|związków chemicznych]] lub [[jon|jonów]] w roztworach po obu stronach membrany i dążenie układu do ich wyrównania.
Kontaktujące się roztwory mają [[termodynamika|termodynamiczną]] tendencję do wyrównywania stężeń (np. przez [[dyfuzja|dyfuzję]] cząsteczek rozpuszczonych związków). W przypadku [[membrana półprzepuszczalna|membrany półprzepuszczalnej]], która przepuszcza małe cząsteczki rozpuszczalnika a nie przepuszcza jonów ani większych cząsteczek, jedynym sposobem wyrównania stężenia roztworów jest przepływ przez membranę cząsteczek rozpuszczalnika. W najprostszym przypadku, dla roztworów silnie rozcieńczonych, ciśnienie osmotyczne (a właściwie różnicę ciśnień) na granicy roztworów "1" i "2" można wyrazić prostym wzorem:
Kontaktujące się roztwory mają [[termodynamika|termodynamiczną]] tendencję do wyrównywania stężeń (np. przez [[dyfuzja|dyfuzję]] cząsteczek rozpuszczonych związków). W przypadku membrany, która przepuszcza małe cząsteczki [[rozpuszczalnik]]a a nie przepuszcza jonów ani większych cząsteczek, jedynym sposobem wyrównania stężenia roztworów jest przepływ przez membranę rozpuszczalnika. W najprostszym przypadku, dla roztworów silnie rozcieńczonych, ciśnienie osmotyczne na granicy roztworów "1" i "2" można wyrazić prostym wzorem:


:<math>\pi_{12} = \left([X]_{1} - [X]_{2}\right) RT </math>
:<math>\pi_{12} = \left([X]_{1} - [X]_{2}\right) RT </math>


::gdzie &pi;<sub>12</sub> = ciśnienie osmotyczne, R = stała gazowa, T = temperatura (w skali [[Kelwin|Kelwina]]), [X]<sub>1</sub>, [X]<sub>2</sub> = stężenie związku chemicznego lub jonów wyrażone w [[mol]]ach/dm<sup>3</sup>, w roztworach po obu stronach membrany.
::gdzie &pi;<sub>12</sub> = ciśnienie osmotyczne, R = [[stała gazowa]], T = [[temperatura]] (w skali [[Kelwin|Kelwina]]), [X]<sub>1</sub>, [X]<sub>2</sub> = [[stężenie molowe]] związku chemicznego lub jonów, które mogą przepływać przez membranę.


Warto zwrócić uwagę, że:
Warto zwrócić uwagę, że:
*wzór ten ma sens fizyczny tylko wtedy gdy [X]<sub>1</sub> > [X]<sub>2</sub> - gdyż ciśnienie osmotyczne jest wywierane na membranę zawsze tylko z jednej strony - od strony bardziej stężonego roztworu. Po drugiej stronie membrany ciśnienie osmotyczne wynosi 0 i nie przyjmuje bynajmniej wartości ujemnej. W przypadku gdy przez membranę może przepływać tylko rozpuszczalnik, wzór ten trzeba "odwrócić" lub ew. wpisać do niego stężenie rozpuszczalnika, a nie stężenie rozpuszczonej substancji.
*wzór ten ma sens fizyczny tylko wtedy gdy [X]<sub>1</sub> > [X]<sub>2</sub> - gdyż ciśnienie osmotyczne jest różnicą rzeczywistych ciśnień wywieranych przez oba roztwory, stąd "działa" ono od strony bardziej stężonego roztworu. W przypadku gdy przez membranę może przepływać tylko rozpuszczalnik, wzór ten trzeba "odwrócić" lub ew. wpisać do niego stężenie rozpuszczalnika, a nie stężenie rozpuszczonej substancji.
*gdy przez membranę przepływa kilka różnych związków chemicznych, każdy z nich generuje niezależnie od siebie cząstkowe ciśnienie osmotyczne, sumaryczne ciśnienie wywierane na membranę jest wypadkową ciśnień cząstkowych.
*gdy przez membranę przepływa kilka różnych związków chemicznych, każdy z nich generuje niezależnie od siebie cząstkowe ciśnienie osmotyczne, sumaryczne ciśnienie wywierane na membranę jest wypadkową ciśnień cząstkowych.


Linia 15: Linia 15:
====Równanie van't Hoffa====
====Równanie van't Hoffa====


Dla roztworu o stężeniu [X] w kontakcie poprzez membranę z czystym rozpuszczalnikiem, ciśnienie osmotyczne definiowane jest przez <b>równanie van't Hoffa</b>:
Dla roztworu o stężeniu [X] w kontakcie poprzez membranę z czystym rozpuszczalnikiem, ciśnienie osmotyczne definiowane jest przez '''równanie van't Hoffa''':


:<math>\pi = [X] RT</math>
:<math>\pi = [X] RT</math>


: Przykład: dla roztworu soli o stężeniu [X] = 10<sup>-2</sup> mol/dm<sup>3</sup> w temperaturze 300K otrzymamy ciśnienie osmotyczne rzędu 250hPa (0,25 atm) co odpowiada ciśnieniu słupa wody o wysokości 2,5m.
: Przykład: dla roztworu soli o stężeniu [X] = 10<sup>-2</sup> mol/dm<sup>3</sup> w temperaturze 300 K otrzymamy ciśnienie osmotyczne rzędu 250hPa (0,25 atm) co odpowiada ciśnieniu słupa wody o wysokości 2,5 m.


Równanie van't Hoffa jest słuszne dla bardzo rozcieńczonych roztworów zbliżonych do roztworu idealnego. Dla roztworów bardziej stężonych, gdzie istotne stają się oddziaływania pomiędzy cząsteczkami X, przyjmuje się, że równanie van't Hoffa jest jedynie pierwszym członem rozwinięcia (analogicznie do rozwinięcia stosowanego w [[wirialne równanie stanu|wirialnym równaniu stanu]] gazu):
Równanie van't Hoffa jest słuszne dla bardzo rozcieńczonych roztworów zbliżonych do roztworu idealnego. Dla roztworów bardziej stężonych, gdzie istotne stają się oddziaływania pomiędzy cząsteczkami X, przyjmuje się, że równanie van't Hoffa jest jedynie pierwszym członem rozwinięcia (analogicznie do rozwinięcia stosowanego w [[wirialne równanie stanu|wirialnym równaniu stanu]] gazu):
Linia 35: Linia 35:
:gdzie: p<sub>r</sub> - ciśnieniem pary rozpuszczalnika nad roztworem X, p<sub>o</sub> - ciśnienie pary nasyconej nad czystym rozpuszczalnikiem.
:gdzie: p<sub>r</sub> - ciśnieniem pary rozpuszczalnika nad roztworem X, p<sub>o</sub> - ciśnienie pary nasyconej nad czystym rozpuszczalnikiem.


Zgodnie z [[Prawo Raoult'a|prawem Raoult'a]] dla [[roztwór doskonały|roztworu doskonałego]] mamy (p<sub>r</sub>/p<sub>o</sub>) = x<sub>rozp</sub> - [[ułamek molowy]] rozpuszczalnika w roztworze X. Dla [[Roztwór właściwy|roztworu rzeczywistego]], zamiast ułamka molowego należy użyć [[aktywność|aktywności]] rozpuszczalnika a<sub>rozp</sub> w tym roztworze, skąd:
Zgodnie z [[Prawo Raoulta|prawem Raoulta]] dla [[roztwór doskonały|roztworu doskonałego]]: (p<sub>r</sub>/p<sub>o</sub>) = x<sub>rozp</sub> - [[ułamek molowy]] rozpuszczalnika w roztworze X. Dla [[Roztwór właściwy|roztworu rzeczywistego]], zamiast ułamka molowego należy użyć [[aktywność|aktywności]] rozpuszczalnika a<sub>rozp</sub> w tym roztworze, skąd:


:<math>\pi = - \frac{RT}{V_{m,rozp}} \ln \left(a_{rozp}\right)</math>
:<math>\pi = - \frac{RT}{V_{m,rozp}} \ln \left(a_{rozp}\right)</math>


Jeżeli roztwór substancji X jest idealny i rozcieńczony, wówczas wykorzystując fakt, że ułamek molowy rozpuszczalnika x<sub>rozp</sub> = 1 - x<sub>x</sub>, gdzie x<sub>x</sub> jest b. małe, otrzymamy:
Jeżeli roztwór substancji X jest idealny i rozcieńczony, wówczas wykorzystując fakt, że ułamek molowy rozpuszczalnika x<sub>rozp</sub> = 1 - x<sub>x</sub>, gdzie x<sub>x</sub> jest bardzo małe, otrzymuje się:


:<math> \ln(x_{rozp}) = \ln(1 - x_{x}) \approx x_{x}</math>
:<math> \ln(x_{rozp}) = \ln(1 - x_{x}) \approx x_{x}</math>


skąd łatwo otrzymamy [[#Równanie van't Hoffa|równanie van't Hoffa]].
skąd łatwo można wyprowadzić [[#Równanie van't Hoffa|równanie van't Hoffa]].


[[Kategoria:Chemia fizyczna]]
[[Kategoria:Chemia fizyczna]]

Wersja z 10:36, 28 wrz 2007

Ciśnienie osmotyczne - różnica ciśnień wywieranych na półprzepuszczalną membranę przez dwie ciecze, które ta membrana rozdziela. Przyczyną pojawienia się ciśnienia osmotycznego jest różnica stężeń związków chemicznych lub jonów w roztworach po obu stronach membrany i dążenie układu do ich wyrównania.

Kontaktujące się roztwory mają termodynamiczną tendencję do wyrównywania stężeń (np. przez dyfuzję cząsteczek rozpuszczonych związków). W przypadku membrany, która przepuszcza małe cząsteczki rozpuszczalnika a nie przepuszcza jonów ani większych cząsteczek, jedynym sposobem wyrównania stężenia roztworów jest przepływ przez membranę rozpuszczalnika. W najprostszym przypadku, dla roztworów silnie rozcieńczonych, ciśnienie osmotyczne na granicy roztworów "1" i "2" można wyrazić prostym wzorem:

gdzie π12 = ciśnienie osmotyczne, R = stała gazowa, T = temperatura (w skali Kelwina), [X]1, [X]2 = stężenie molowe związku chemicznego lub jonów, które mogą przepływać przez membranę.

Warto zwrócić uwagę, że:

  • wzór ten ma sens fizyczny tylko wtedy gdy [X]1 > [X]2 - gdyż ciśnienie osmotyczne jest różnicą rzeczywistych ciśnień wywieranych przez oba roztwory, stąd "działa" ono od strony bardziej stężonego roztworu. W przypadku gdy przez membranę może przepływać tylko rozpuszczalnik, wzór ten trzeba "odwrócić" lub ew. wpisać do niego stężenie rozpuszczalnika, a nie stężenie rozpuszczonej substancji.
  • gdy przez membranę przepływa kilka różnych związków chemicznych, każdy z nich generuje niezależnie od siebie cząstkowe ciśnienie osmotyczne, sumaryczne ciśnienie wywierane na membranę jest wypadkową ciśnień cząstkowych.

Pomiar ciśnienia osmotycznego możliwy jest np. poprzez pomiar ciśnienia wymaganego do zatrzymania przepływu rozpuszczalnika przez membranę. Dalsze zwiększanie przyłożonego ciśnienia prowadzi do zaistnienia procesu odwróconej osmozy, czyli przepływu cząsteczek rozpuszczalnika od roztworu o wysokim stężeniu do roztworu o niższym stężeniu.

Równanie van't Hoffa

Dla roztworu o stężeniu [X] w kontakcie poprzez membranę z czystym rozpuszczalnikiem, ciśnienie osmotyczne definiowane jest przez równanie van't Hoffa:

Przykład: dla roztworu soli o stężeniu [X] = 10-2 mol/dm3 w temperaturze 300 K otrzymamy ciśnienie osmotyczne rzędu 250hPa (0,25 atm) co odpowiada ciśnieniu słupa wody o wysokości 2,5 m.

Równanie van't Hoffa jest słuszne dla bardzo rozcieńczonych roztworów zbliżonych do roztworu idealnego. Dla roztworów bardziej stężonych, gdzie istotne stają się oddziaływania pomiędzy cząsteczkami X, przyjmuje się, że równanie van't Hoffa jest jedynie pierwszym członem rozwinięcia (analogicznie do rozwinięcia stosowanego w wirialnym równaniu stanu gazu):

gdzie B jest osmotycznym współczynnikiem wirialnym

Na podstawie pomiaru ciśnienia osmotycznego, a właściwie zależności ciśnienia osmotycznego π od stężenia c[g/dm3] możliwe jest obliczenie masy cząsteczkowej związków chemicznych.

Równanie van't Hoffa jest granicznym przypadkiem bardziej ogólnego równania słusznego dla roztworu oraz czystego rozpuszczalnika, przy założeniu, że para rozpuszczalnika nad roztworem i nad czystym rozpuszczalnikiem zachowuje się jak gaz doskonały:

gdzie: pr - ciśnieniem pary rozpuszczalnika nad roztworem X, po - ciśnienie pary nasyconej nad czystym rozpuszczalnikiem.

Zgodnie z prawem Raoulta dla roztworu doskonałego: (pr/po) = xrozp - ułamek molowy rozpuszczalnika w roztworze X. Dla roztworu rzeczywistego, zamiast ułamka molowego należy użyć aktywności rozpuszczalnika arozp w tym roztworze, skąd:

Jeżeli roztwór substancji X jest idealny i rozcieńczony, wówczas wykorzystując fakt, że ułamek molowy rozpuszczalnika xrozp = 1 - xx, gdzie xx jest bardzo małe, otrzymuje się:

skąd łatwo można wyprowadzić równanie van't Hoffa.