Ώσμωση: Διαφορά μεταξύ των αναθεωρήσεων

Οι δύο πλευρές χωρίζονται με ημιπερατή μεμβράνη.

 

Όταν και από τις δύο πλευρές της μεμβράνης υπάρχει καθαρό νερό, τα μόριά του διέρχονται με τον ίδιο ρυθμό και προς τις δύο κατευθύνσεις, οπότε μακροσκοπικά δεν παρατηρείται ροή νερού και ο όγκος του νερού στα δύο τμήματα του δοχείου δε μεταβάλλεται.<br />

Όταν όμως από τη πλευρά Β της ημιπερατής μεμβράνης υπάρχει κάποιο διάλυμα, τότε τα μόρια της διαλυμένης ουσίας αφενός δε μπορούν να διέλθουν από τη μεμβράνη (για ηλεκτροστατικούς λόγους), αφετέρου παρεμποδίζουν τα μόρια του νερού και αυτά δε χτυπούν στη μεμβράνη με τον ίδιο ρυθμό όπως τα μόρια από την πλευρά Α. Έτσι τα μόρια του νερού διέρχονται από την πλευρά Α προς την πλευρά Β με ''μεγαλύτερο ρυθμό'' από ότι ανάποδα με συνέπεια να αυξάνεται ο όγκος προς την πλευρά Β. Αυτή η καθαρή ροή νερού θα επιβραδυνθεί και τελικά θα σταματήσει όταν η πίεση από τη στήλη διαλύματος που δημιουργείται στην πλευρά Β θα γίνει τόση ώστε οι ρυθμοί διέλευσης νερού και προς τις δύο κατευθύνσεις να εξισωθούν. Τότε θα υπάρξει δυναμική (και όχι στατική) ισορροπία αφού στη μονάδα του χρόνου όσα μόρια νερού περνούν από την πλευρά Α στη Β, ακριβώς τόσα θα περνούν και από τη Β στην Α.

Χημικό δυναμικό ενός συστατικού i σε ένα διάλυμα ονομάζεται η μερική γραμμομοριακή ελεύθερη ενέργεια του συστατικού αυτού στο διάλυμα. Το χημικό δυναμικό αποτελεί μέτρο χημικής σταθερότητας και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την πρόβλεψη και ερμηνεία των αλλαγών φάσεων και των χημικών αντιδράσεων. Ουσίες με υψηλότερο δυναμικό θα αντιδράσουν ή θα μετατραπούν από τη μια φάση στην άλλη με σκοπό να μειώσουν τη συνολική ελεύθερη ενέργεια Gibbs του συστήματος.

 

 

* R = η παγκόσμια σταθερά των αερίων.

* N_B = το γραμμομοριακό κλάσμα <ref name=N> N_B = n_B/(n_B + N} όπου n_B = τα moles του διαλύτη στο διάλυμα και n = τα moles της διαλυμένης ουσίας. Όπως είναι φανερό ισχύει N_B < 1</ref> του διαλύτη στο διάλυμα (πλευρά Β). Ο όρος ln υποδηλώνει το νεπέρειο λογάριθμο.

 

Άρα για να υπάρξει εξίσωση των χημικών δυναμικών και κατά συνέπεια θερμοδυναμική σταθερότητα, πρέπει να υπάρξει ροή μορίων νερού από την πλευρά Α (περιοχή υψηλού δυναμικού) προς την πλευρά Β (περιοχή χαμηλού δυναμικού).

 

Η ελεύθερη ενέργεια μιας ουσίας αντιπροσωπεύει την ενέργεια της ουσίας που μπορεί να μετατραπεί σε έργο, δηλαδή, το μέγιστο διαθέσιμο χρήσιμο έργο της ουσίας. Μια από τις εκφράσεις της είναι η ίδια με αυτή του χημικού δυναμικού.

 

Πράγματι λοιπόν η διέλευση νερού από την πλευρά Α στη Β συνοδεύεται από ελάττωση της ελεύθερης ενέργειας, οπότε αποτελεί αυθόρμητη διεργασία.

 

Το φαινόμενο της ώσμωσης μπορεί να εξηγηθεί και με τη χρήση της έννοιας της εντροπίας, από τη στατιστική μηχανική :<br />

Η μεταβολή της εντροπίας ΔS_mix κατά την ανάμιξη καθαρού διαλύτη (από την πλευρά Α) και διαλύματος (της πλευράς Β) βάσει της θερμοδυναμικής εξίσωσης του Gibbs θα είναι :

Η ώσμωση μπορεί να σταματήσει :

* Όταν η στήλη του διαλύματος στο σωλήνα στην πλευρά Β ανεβεί αρκετά, ώστε η υδροστατική πίεση της στήλης να αναγκάσει τα μόρια του διαλύτη να εξέρχονται προς την πλευρά Α με την ίδια ταχύτητα με την οποία εισέρχονται στην πλευρά Β.

 

Μεταξύ δύο διαλυμάτων :

* '''Υπερτονικό''' ονομάζεται το διάλυμα που έχει τη μεγαλύτερη τιμή ωσμωτικής πίεσης.

 

 

'''1) Αραιά μοριακά διαλύματα'''<br />

Από τα πειραματικά αποτελέσματα του Pfeffer, ο van't Hoff διαπίστωσε ότι :

* το γινόμενο της ωσμωτικής πίεσης επί τον όγκο ενός διαλύματος για ορισμένη μάζα ζάχαρης και σε ορισμένη θερμοκρασία ήταν σταθερό δηλ. ΠV = σταθ.

Ο van't Hoff διαπίστωσε ότι η ωσμωτική πίεση διαλύματος παρουσιάζει μεγάλη αναλογία με την πίεση που ασκεί ιδανικό αέριο και το οποίο υπακούει στην καταστατική εξίσωση : PV=nRT<br />

Μετά από αυτές τις διαπιστώσεις ο van't Hoff διατύπωσε το ''"νόμο των αραιών διαλυμάτων"'' :<br />

<div style='text-align: center;'> <big>ΠV' = nRT</big> </div>

 

Στα ηλεκτρολυτικά διαλύματα η ωσμωτική πίεση (και γενικότερα οι προσθετικές ιδιότητες των διαλυμάτων) έχει μεγαλύτερη τιμή από εκείνη που προβλέπεται βάσει των εξισώσεων και της συγκέντρωσης του ηλεκτρολύτη. Έτσι, σε άλατα όπως NaCl, KNO₃ κ.ά. η πειραματική τιμή της Π βρέθηκε περίπου διπλάσια, σε άλατα του τύπου BaCl₂, Ca(NO₃)₂ κ,ά, περίπου τριπλάσια, σε άλατα του τύπου K₃[Fe(CN)₆] κ.ά. περίπου τετραπλάσια κλπ. Ο van't Hoff πρότεινε την εισαγωγή στις απλές εξισώσεις της ωσμωτικής πίεσης, ενός αδιάστατου διορθωτικού συντελεστή '''i''' που σήμερα ονομάζεται "'''συντελεστής van't Hoff'''" :

 

<div style='text-align: center;'> α = (i - 1)/(n - 1) </div>

 

Κατά τον πολυμερισμό ενός σώματος (συνήθως οργανικής ένωσης διαλυμένης σε οργανικό διαλύτη) γίνεται συνένωση μορίων του σώματος (μονομερή) και σχηματισμός μεγαλομορίων (πολυμερή). Άρα με τον πολυμερισμό ενός σώματος ελαττώνεται ο αριθμός των διακεκριμένων σωματιδίων του διαλύματος, οπότε ελαττώνεται και η ωσμωτική πίεση. Για παράδειγμα, έστω ότι πολυμερίζεται αιθυλένιο (μονομερές, CH₂=CH₂) αρχικής συγκέντρωσης C μέσα σε οργανικό διαλύτη. Αν ν μόρια αιθυλενίου συνενώνονται για να δώσουν πολυμερές (πολυαιθυλένιο) σύμφωνα με την αντίδραση : <div style='text-align: center;'> νCH₂=CH₂ → (-CH₂-CH₂-)_ν </div>

η συγκέντρωση του μονομερούς θα είναι ν φορές μικρότερη δηλ. C/ν και επομένως η ωσμωτική πίεση θα είναι και αυτή ν φορές μικρότερη από την ωσμωτική πίεση του μονομερούς.

[[Αρχείο:Pfeffer Osmotische Untersuchungen-1.png|thumb|right|150px|Ωσμώμετρο Pfeffer]]

 

Η ωσμωτική πίεση υδατικών και μη διαλυμάτων μετριέται με συσκευές που λέγονται ωσμώμετρα. Το πρώτο ωσμώμετρο κατασκευάστηκε το 1828 από το Γάλλο φυσιολόγο Henri Dutrochet και δεν παρείχε ακριβείς μετρήσεις αλλά απλά μια επίδειξη της ώσμωσης. Ο Pfeffer κατασκεύασε το 1877 και χρησιμοποίησε για μετρήσεις ακριβείας, ωσμώμετρο που και σήμερα βρίσκει ακόμη εφαρμογή για μετρήσεις μικρών σχετικά ωσμωτικών πιέσεων : Το ωσμώμετρο Pfeffer αποτελείται από το πορώδες διάφραγμα Α και από υδραργυρικό μανόμετρο Β. Το κύτταρο που περιέχει το διάλυμα προς μελέτη τοποθετείται στο δοχείο Γ. Λόγω της ώσμωσης, ο διαλύτης εισέρχεται στο κύτταρο, οπότε η διαφορά στάθμης που δημιουργείται στο μανομετρικό σωλήνα δίνει την ωσμωτική πίεση του διαλύματος τη στιγμή αποκατάστασης ισορροπίας (σφού έχει εισέλθει ο διαλύτης) και όχι την ωσμωτική πίεση του αρχικού διαλύματος. Αν όμως παρεμποδίσουμε την είσοδο διαλύτη με προσθήκη υδραργύρου στο αριστερό σκέλος του μανόμετρου, τότε η διαφορά στάθμης που δημιουργείται θα δίνει την ωσμωτική πίεση του αρχικού διαλύματος. Η ωσμωτική πίεση σε KPa θα είναι Π = d.g.h όπου d = πυκνότητα υδραργύρου = 13,6 g/mL,</sup> g = βαρυτική επιτάχυνση = 9,81 m/s² και h = το ύψος της στήλης υδραργύρου (m). Με διαίρεση με το 100 προκύπτει η Π σε Atm π.χ αν το ύψος h = 0.1 m τότε : Π = 13,6 × 9,81 × 0,1 = 13,3 KPa ή 0,133 Atm.<br />

Για μεγάλες ωσμωτικές πιέσεις (μέχρι 270 Atm), οι Frazer και Myrick πρότειναν ειδικό ωσμώμετρο.

 

Ορισμένες από τις σημαντικότερες εφαρμογές της ωσμωτικής πίεσης είναι :

* Εύρεση της σχετικής μοριακής μάζας (M_r) μεγαλομοριακών ενώσεων (π.χ. πρωτεΐνες, πολυμερή) με τη μέθοδο της '''ωσμωμετρίας'''. Έτσι ονομάζεται η μέθοδος προσδιορισμού της M_r μιας ουσίας μετρώντας πειραματικά την ωσμωτική πίεση του υδατικού διαλύματός της. Η ωσμωμετρία εφαρμόζεται με την προϋπόθεση ότι το διάλυμα είναι αραιό και μοριακό. Για τον υπολογισμό χρησιμοποιείται η σχέση : M_r = mRT/ΠV. Η μέτρηση πρέπει όμως να γίνει σε κατάλληλες συνθήκες οι οποίες να μην ευνοούν τον πολυμερισμό (βλέπε [[#Η ωσμωτική πίεση στα πολυμερή]]).

== Βιολογική σημασία και εφαρμογές της ώσμωσης ==

Το φαινόμενο της ώσμωσης παίζει σημαντικό ρόλο σε πολλά βιολογικά φαινόμενα που σχετίζονται με τη λειτουργία του κυττάρου. Τα κύτταρα περιέχουν σε μορφή υδατικού διαλύματος μόρια οργανικών ενώσεων (π.χ. πρωτεΐνες) και διάφορα άλατα η δε κυτταρική τους μεμβράνη είναι ημιπερατή.<br />

[[Αρχείο:Turgor pressure on plant cells diagram.svg|thumb|350px|right|<div style='text-align: center;'> Φυτικά κύτταρα σε διαφορετικά περιβάλλοντα </div>]]

Όταν ένα φυτικό κύτταρο βρεθεί σε νερό, το οποίο θεωρείται ''υποτονικό διάλυμα'' (hypotonic), ο όγκος του αυξάνεται και ταυτόχρονα πέφτει η ωσμωτική του πίεση, λόγω αραίωσης με την είσοδο του νερού. Με τη διόγκωση όμως του κυττάρου, το τοίχωμά του τεντώνεται πράγμα που συνεπάγεται μια ελαστική τάση της μεμβράνης που λέγεται ''σπάργη'' (turgid) αντίθετης κατεύθυνσης προς την ωσμωτική πίεση. Η ώσμωση αναστέλλεται, όταν η ελαστική τάση των τοιχωμάτων του κυττάρου εξισορροπήσει την ωσμωτική πίεση. Το φαινόμενο αυτό της διόγκωσης του φυτικού κυττάρου ονομάζεται '''σπάργωση'''. <br />

Όταν το φυτικό κύτταρο βρεθεί σε υδατικό διάλυμα μεγαλύτερης ωσμωτικής πίεσης, δηλ. σε ''υπέρτονο διάλυμα'' (hypertonic), το νερό θα βγαίνει από το κύτταρο με αποτέλεσμα τη συρρίκνωση του κυττάρου. Το φαινόμενο αυτό λέγεται ''πλασμόλυση''. Αν η πλασμόλυση δεν είναι πολύ ισχυρή ή δεν διαρκεί πολύ, είναι δυνατόν να επαναφέρουμε το κύτταρο στην αρχική φυσιολογική του κατάσταση με την τοποθέτησή του μέσα στο νερό. Το φαινόμενο αυτό λέγεται ''αποπλασμόλυση''.<br />

[[Αρχείο:Osmotic pressure on blood cells diagram.svg|thumb|350px|right|<div style='text-align: center;'> Αποτελέσματα διαφορετικών διαλυμάτων στα ερυθρά αιμοσφαίρια </div>]]Στα ζωικά κύτταρα συμβαίνουν περίπου τα ίδια φαινόμενα που είναι όμως πιο έντονα. Και τα ζωικά κύτταρα μέσα σε υπέρτονα διαλύματα συρρικνώνονται, όμως στην περίπτωση αυτή αυξάνεται ο βαθμός διέγερσης και αντίδρασής τους και για αυτό ενέσεις υπέρτονων υδατικών διαλυμάτων είναι επικίνδυνες και προκαλούν ερεθισμούς. Αντίθετα, μέσα σε υποτονικά διαλύματα, τα ζωικά κύτταρα διογκώνονται και μειώνεται η διεγερσιμότητά τους. Αν η διόγκωση γίνει σε μεγάλο βαθμό, μπορεί να προκαλέσει τελικά την καταστροφή των ζωικών κυττάρων. Έτσι ενδοφλέβια ένεση υποτονικού διαλύματος είναι πολύ επικίνδυνη γιατί μπορεί να προκαλέσει διόγκωση και διάρρηξη των ερυθρών αιμοσφαιρίων. Το φαινόμενο αυτό λέγεται ''αιμόλυση''.<br />

Αν βάλουμε ερυθρά αιμοσφαίρια μέσα σε ''ισοτονικό υδατικό διάλυμα'' χλωριούχου νατρίου (NaCl) περιεκτικότητας 9 ‰, αυτά διατηρούν απόλυτα το σχήμα και το μέγεθός τους. Το ισότονο αυτό διάλυμα NaCl είναι γνωστό ως φυσιολογικός ορός.<br />

Ισότονο με το αίμα είναι και το υγρό των ιστών. Υπέρτονα με το αίμα είναι τα δάκρυα, ενώ υπότονα είναι το σάλιο και ο ιδρώτας. Τα ούρα μπορεί να είναι υπέρτονα ή και υπότονα.

 

Ο τεχνητός νεφρός είναι μια μηχανή που αποτελείται από ένα μεγάλο δοχείο, χωρητικότητας περίπου 100 L, μέσα στο οποίο τοποθετείται ένα διάλυμα ισοτονικό ως προς όλα τα συστατικά που πρέπει να παραμείνουν στο αίμα, το οποίο πρόκειται να καθαριστεί. Μέσα στο διάλυμα αυτό υπάρχει ένας μεγάλος σωλήνας με σπειροειδή μορφή που είναι φτιαγμένος από ένα είδος μεμβράνης η οποία επιτρέπει να περάσουν από τους πόρους της μόρια διαλύτη, ιόντα και άλλα μικρά μόρια που υπάρχουν στο αίμα. Το αίμα από μια αρτηρία του ασθενή διοχετεύεται μέσα στο σωλήνα, οπότε τα τοξικά συστατικά που διέρχονται από τους πόρους της μεμβράνης προς το εξωτερικό διάλυμα απομακρύνονται και το καθαρισμένο πλέον αίμα εισάγεται ξανά στον ασθενή μέσα από μια φλέβα του.

 

 

{{DEFAULTSORT:Ωσμωση}}

 

[[Κατηγορία:Χημικές διεργασίες]]