Ώσμωση και Ωσμωτική πίεση

Η ωσμωτική πίεση είναι μία ακόμη προσθετική ιδιότητα των διαλυμάτων, η οποία παρατηρείται μόνο κάτω από ορισμένες συνθήκες. Για να εκδηλωθεί, δηλαδή, απαιτείται μια ημιπερατή μεμβράνη, φυσική ή συνθετική, που επιτρέπει κάποιες ουσίες να περνούν και κάποιες όχι (δρα δηλαδή σαν ένα είδος μοριακού κόσκινου).

ΣΧΗΜΑ 1.15 Ημιπερατή μεμβράνη που χωρίζει το διαλύτη (νερό) από το διάλυμα (ζαχαρόνερο).

Θεωρήστε μία ημιπερατή μεμβράνη η οποία διαχωρίζει ένα υδατικό διάλυμα από καθαρό νερό. Αν δεν υπήρχε η μεμβράνη το διάλυμα θα ανακατευόταν με το νερό και θα πρόκυπτε ένα ενιαίο αραιότερο διάλυμα. Όμως, η μεμβράνη επιτρέπει μόνο τη δίοδο των μορίων νερού και προς τις δύο κατευθύνσεις και όχι τη δίοδο των μορίων του διαλυμένου σώματος. Έτσι, λοιπόν, το νερό εισέρχεται με μεγαλύτερη ταχύτητα στο δεξί μέρος του δοχείου με σκοπό να εξισώσει τις συγκεντρώσεις στα δύο μέρη. Η διάχυση αυτή των μορίων του νερού γίνεται όχι μόνο μεταξύ του καθαρού νερού και του διαλύματος, αλλά και μεταξύ δύο διαλυμάτων διαφορετικής συγκέντρωσης και ονομάζεται ώσμωση. - Ώσμωση ονομάζεται το φαινόμενο της διάχυσης περισσοτέρων μορίων διαλύτη (συνήθως νερού), μέσω ημιπερατής μεμβράνης, από το διαλύτη στο διάλυμα ή από το διάλυμα της μικρότερης συγκέντρωσης (υποτονικό διάλυμα) στο διάλυμα της μεγαλύτερης συγκέντρωσης (υπερτονικό διάλυμα).

Αν η εξωτερική πίεση (Ρ) που ασκείται στην επιφάνεια του διαλύματος είναι ίση με την ωσμωτική πίεση (Π) του διαλύματος, τότε δε λαμβάνει χώρα ώσμωση.

Αν η εξωτερική πίεση (Ρ) που ασκείται στην επιφάνεια του διαλύματος είναι μεγαλύτερη από την ωσμωτική (Π), τότε έχουμε αντίστροφη ώσμωση.

ΣΧΗΜΑ 1.16 Διαγραμματική απεικόνιση του φαινομένου της ώσμωσης και της ωσμωτικής πίεσης.

Αποτέλεσμα της ώσμωσης είναι η στάθμη του υγρού να ανεβαίνει στο δεξιό σκέλος του σωλήνα (βλέπε σχήμα 1.17). Θα περίμενε κανείς ότι η ώσμωση θα συνεχιζόταν μέχρι να εξισωθούν οι συγκεντρώσεις των δύο διαλυμάτων. Μόνο τότε το σύστημα θα έβρισκε τη δυναμική του ισορροπία, οπότε ίδιος αριθμός μορίων διαλύτη θα διαπερνούσε την ημιπερατή μεμβράνη και προς τις δύο κατευθύνσεις. Θα έλεγε κανείς ότι η στάθμη κατ΄ αυτό τον τρόπο θα ανέβαινε συνεχώς μια και το διάλυμα όσο και να αραιωθεί δε θα γίνει ποτέ καθαρό νερό. Όμως, καθώς η στάθμη ανεβαίνει μέσα στο σωλήνα η δημιουργούμενη υδροστατική πίεση αυξάνει την ταχύτητα μετακίνησης του νερού προς το διαλύτη. Έτσι, λοιπόν, κάποια στιγμή η στάθμη μέσα στο σωλήνα είναι τέτοια, ώστε οι δύο ταχύτητες μετακίνησης των μορίων νερού προς και από το διαλύτη εξισώνονται, οπότε και το φαινόμενο σταματά. Την πίεση αυτή της υδροστατική στήλης, που έχει σαν αποτέλεσμα την εξίσωση των ταχυτήτων μετακίνησης του νερού (διαλύτη) μέσω της ημιπερατής μεμβράνης και την αποκατάσταση δυναμικής ισορροπίας στο σύστημα, ονομάζουμε ωσμωτική πίεση, Π, του διαλύματος. Προφανώς, η ώσμωση δε θα γινόταν καθόλου αν απ’ την αρχή είχε ασκηθεί στην επιφάνεια του διαλύτη πίεση, Ρ ίση με την ωσμωτική πίεση, Π. Συνεπώς, - Ωσμωτική πίεση διαλύματος, που διαχωρίζεται με ημιπερατή μεμβράνη απ’ τον καθαρό διαλύτη του, ονομάζεται η ελάχιστη πίεση που πρέπει να ασκηθεί εξωτερικά στο διάλυμα, ώστε να εμποδίσουμε το φαινόμενο της ώσμωσης, χωρίς να μεταβληθεί ο όγκος του διαλύματος. Η ωσμωτική πίεση είναι μία προσθετική ιδιότητα. Εξαρτάται δηλαδή από την ποσότητα (σε mol) του διαλυμένου σώματος σε ορισμένο όγκο διαλύματος και όχι από την φύση αυτού. Η ωσμωτική πίεση, Π, ενός διαλύματος δίνεται από την παρακάτω σχέση:

Π V = n RT

Όπου, Π : η ωσμωτική πίεση του διαλύματος V: ο όγκος του διαλύματος n : ο αριθμός mol της διαλυμένης ουσίας R : η παγκόσμια σταθερά των αερίων Τ: η απόλυτη θερμοκρασία (Κ)

Επειδή δε n/V = c έχουμε, Π = c RT

Όπου, c: η συγκέντρωση (Molarity) του διαλύματος. Η αναλογία της σχέσης με την καταστατική εξίσωση των ιδανικών αερίων είναι και εμφανής και εντυπωσιακή. Στο εργαστήριο η μέτρηση της ωσμωτικής πίεσης χρησιμοποιείται για τη μελέτη μεγαλομοριακών ενώσεων, όπως είναι οι πρωτεΐνες και τα νουκλεϊνικά οξέα, π.χ. για τον προσδιορισμό της σχετικής μοριακής μάζας τους. Σ' αυτά, λόγω του μεγάλου Μr, είναι δύσκολο να παρασκευαστούν σχετικά πυκνά διαλύματα. Όμως, τα αραιά διαλύματά τους έχουν υψηλή τιμή ωσμωτικής πίεσης, Π, η οποία μπορεί να μετρηθεί με ακρίβεια. - Ωσμωμετρία ονομάζεται η μέθοδος προσδιορισμού της σχετικής μοριακής μάζας με βάση τον πειραματικό προσδιορισμό του Π, κάνοντας χρήση της παραπάνω εξίσωσης.

Η ωσμωτική πίεση είναι η μόνη προσθετική ιδιότητα που εξαρτάται απ’ τη θερμοκρασία του διαλύματος. Οι εξισώσεις της ωσμωτικής πίεσης ισχύουν με τη προϋπόθεση ότι: - το διάλυμα είναι αραιό - το διάλυμα είναι μοριακό, δηλαδή η διαλυμένη ουσία είναι υπό μορφή μορίων Ισοτονικά διαλύματα: είναι τα διαλύματα που έχουν την ίδια τιμή ωσμωτικής πίεσης (Π = 7,7 atm) π.χ. φυσιολογικός ορός (0,9% w/v NaCl ή διάλυμα γλυκόζης 5,7% w/v) και αίμα. J. H. Van’ t Hoff (1852-1911). Δανός χημικός τιμήθηκε με βραβείο Νόμπελ χημείας το 1901 (το πρώτο που δόθηκε) για την εργασία του σχετικά με τις φυσικοχημικές ιδιότητες των διαλυμάτων. Με βάση τις αντιλήψεις του van’ t Hoff oι προσθετικές ιδιότητες των ηλεκτρολυτικών διαλυμάτων μπορούν να εκφραστούν με βάση τις σχέσεις: ΔΤf =i Κf m ΔΤb = i Kb m Π = i CRT όπου, i είναι ο συντελεστής Van’ t Hoff Για παράδειγμα i =2 στην περίπτωση του NaCl, καθώς από κάθε mol NaCl προκύπτουν λόγω διάστασης δύο mol ιόντων.