Διαφορά μεταξύ των αναθεωρήσεων του «Ώσμωση»

6 bytes αφαιρέθηκαν ,  πριν από 5 έτη
μ
Επιμέλεια με τη χρήση AWB (10269)
μ (Επιμέλεια με τη χρήση AWB (10269))
</div>
[[Αρχείο:Osmosis1.svg|550px|center]]
Φέρονται σε επαφή (βλέπε σχήμα), μέσω ημιπερατής μεμβράνης, ένα υδατικό διάλυμα κάποιας χημικής ένωσης (π.χ. ζάχαρης) συγκέντρωσης C<ref>Ως συγκέντρωση C εννοείται η μοριακότητα κατ' όγκο (Molarity) που εκφράζει τα moles διαλυμένης ουσίας σε 1 L διαλύματος (mol/L)</ref> και καθαρός διαλύτης (που θεωρούμε ότι έχει συγκέντρωση σε διαλυμένη ουσία C=0)<ref>Το φαινόμενο της ώσμωσης λειτουργεί με οποιονδήποτε διαλύτη, με το νερό όμως ως διαλύτη είναι πολύ πιο σημαντικό και συνηθισμένο</ref> (νερό). Αρχικά η ταχύτητα μετακίνησης (υ<sub>1</sub>) των μορίων του νερού από τον καθαρό διαλύτη προς το διάλυμα είναι μεγαλύτερη από την ταχύτητα μετακίνησης (υ<sub>2</sub>) των μορίων του νερού από το διάλυμα προς τον καθαρό διαλύτη. Δηλαδή αρχικά είναι υ<sub>1</sub> > υ<sub>2</sub>. Έτσι, ο όγκος του διαλύματος αυξάνεται, οπότε παρατηρείται ανύψωση της στάθμης του διαλύματος μέσα στο δεξιό τμήμα του δοχείου. Το φαινόμενο της ώσμωσης θα συνεχιστεί με σκοπό να εξισωθούν οι συγκεντρώσεις από τις δύο πλευρές της ημιπερατής μεμβράνης. Αυτό όμως δε μπορεί να συμβεί, διότι ο καθαρός διαλύτης δεν περιέχει διαλυμένη ουσία.
 
Με το πέρασμα του χρόνου, η ανύψωση της στάθμης του διαλύματος επιβραδύνεται και τελικά σταθεροποιείται σε ορισμένο ύψος (h) οπότε και σταματά το φαινόμενο της ώσμωσης. Αυτό συμβαίνει διότι η υδροστατική πίεση (Ρ<sub>υδρ</sub> = ε.h) που δημιουργείται, λόγω της ανύψωσης της στάθμης και οφείλεται στη στήλη του διαλύματος ύψους h, εξαναγκάζει τα μόρια του διαλύτη να εξέρχονται με την ίδια ταχύτητα με την οποία εισέρχονται. Δηλαδή τελικά αποκαθίσταται κατάσταση δυναμικής ισορροπίας όπου υ<sub>1</sub> = υ<sub>2</sub>.
== Θερμοδυναμική ερμηνεία της ώσμωσης ==
Παλαιότερα επικρατούσε η άποψη ότι το νερό και όχι η διαλυμένη ουσία περνούσε από τη μια πλευρά της μεμβράνης στην άλλη επειδή οι πόροι της ημιπερατής μεμβράνης ήταν μεγαλύτεροι από τα μόρια του νερού αλλά μικρότεροι από τα μόρια της διαλυμένης ουσίας. Σήμερα γίνεται δεκτό ότι η διέλευση μορίων νερού οφείλεται καθαρά σε ηλεκτροστατικούς λόγους. Επίσης πρέπει να τονιστεί ότι η διαλυμένη ουσία δεν παίζει κανένα ρόλο στα φαινόμενα ώσμωσης.<br />
Για την καλύτερη εξήγηση διέλευσης του νερού από την πλευρά που αυτό είναι καθαρό ή βρίσκεται σε διάλυμα μικρότερης συγκέντρωσης προς την πλευρά του διαλύματος μεγαλύτερης συγκέντρωσης, θα θεωρήσουμε ότι η ποσότητα του καθαρού νερού αλλά και του νερού ως διαλύτη στο διάλυμα είναι 1 &nbsp;mol<ref>Αν δεν είναι 1 mol, τότε οι διάφοροι όροι της μορφής RTlnN γίνονται nRTlnN όπου n ο αριθμός moles.</ref> και θα ονομάσουμε :
: "''πλευρά Α''" τη μεριά του καθαρού νερού ή του αραιότερου διαλύματος (αριστερή μεριά [[#Περιγραφή του φαινομένου]]) και
: "''πλευρά Β''" τη μεριά του πυκνότερου διαλύματος (δεξιά μεριά [[#Περιγραφή του φαινομένου]])
* R = η παγκόσμια σταθερά των αερίων.
* T = η απόλυτη θερμοκρασία.
* N<sub>B</sub> = το γραμμομοριακό κλάσμα <ref name=N> N<sub>B</sub> = n<sub>B</sub>/(n<sub>B</sub> + N} όπου n<sub>B</sub> = τα moles του διαλύτη στο διάλυμα και n = τα moles της διαλυμένης ουσίας. Όπως είναι φανερό ισχύει N<sub>B</sub> < 1</ref> του διαλύτη στο διάλυμα (πλευρά Β). Ο όρος ln υποδηλώνει το νεπέρειο λογάριθμο.
 
Εφόσον σε ένα διάλυμα ισχύει πάντα N<sub>B</sub> < 1 θα είναι και lnN<sub>B</sub> < 0, οπότε αφού πάντα ισχύει RT > 0 συμπεραίνουμε ότι RTlnN<sub>B</sub> < 0 και επομένως :
<div style='text-align: center;'> G<sub>B</sub> = G<sub>A</sub> + RTlnN<sub>B</sub> </div>
 
όπου τα σύμβολα είναι τα ίδια με του χημικού δυναμικού.<br />
 
Άρα :
Η μεταβολή της εντροπίας ΔS<sub>mix</sub> κατά την ανάμιξη καθαρού διαλύτη (από την πλευρά Α) και διαλύματος (της πλευράς Β) βάσει της θερμοδυναμικής εξίσωσης του Gibbs θα είναι :
 
<div style='text-align: center;'> ΔS<sub>mix</sub> = - R(n<sub>B</sub>lnN<sub>B</sub> + nlnN) <ref name=N/> </div>
 
Αφού n<sub>B</sub>lnN<sub>B</sub> < 0 και nlnN < 0 και R > 0 συμπεραίνουμε n<sub>B</sub>lnN<sub>B</sub> + nlnN < 0 και επομένως :
=== Νόμος του van't Hoff για την ωσμωτική πίεση σε μη ηλεκτρολυτικά (μοριακά) διαλύματα ===
 
'''1) Αραιά μοριακά διαλύματα'''<br />
 
Από τα πειραματικά αποτελέσματα του Pfeffer, ο van't Hoff διαπίστωσε ότι :
Μετά από αυτές τις διαπιστώσεις ο van't Hoff διατύπωσε το ''"νόμο των αραιών διαλυμάτων"'' :<br />
''Η ωσμωτική πίεση αραιού διαλύματος είναι ίση με την πίεση που θα ασκούσαν τα μόρια της διαλυμένης ουσίας αν αυτά βρίσκονταν με τη μορφή ιδανικού αερίου, σε χώρο ίσου όγκου με το διάλυμα και σε ίση θερμοκρασία.''<br />
Για τα αραιά μοριακά διαλύματα θα ισχύει ο '''νόμος του van't Hoff'''<ref>Η ωσμωτική πίεση για διάλυμα που χωρίζεται από τον καθαρό διαλύτη με ημιπερατή μεμβράνη προκύπτει από τη σχέση : ΠV<sub>A</sub> = -RTlnα<sub>A</sub> όπου V<sub>A</sub> είναι ο μερικός γραμμομοριακός όγκος του διαλύτη και α<sub>Α</sub> η ενεργότητά του. Για ιδανικά διαλύματα η εξίσωση παίρνει τη μορφή Π = CRT όπου C η συγκέντρωση της διαλυμένης ουσίας. </ref> (σε διάφορες μορφές) :
<div style='text-align: center;'> <big>Π = CRT</big> </div>
(ή αφού C = n/V)
: Π =(C<sub>1</sub>+C<sub>2</sub>+C<sub>3</sub>+...)RT ⟺ ΠV = (n<sub>1</sub>+n<sub>2</sub>+n<sub>3</sub>+...)RT = (m<sub>1</sub>/M<sub>r1</sub> + m<sub>2</sub>/M<sub>r2</sub> + m<sub>3</sub>/M<sub>r3</sub> + ...)RT
 
'''2) Πυκνά μοριακά διαλύματα'''<br />
 
Στα σχετικώς πυκνά διαλύματα παρατηρούνται σοβαρές αποκλίσεις από το νόμο του van't Hoff. Σ' αυτές τις περιπτώσεις πρέπει από το συνολικό όγκο του διαλύματος να αφαιρείται ο όγκος που καταλαμβάνουν αυτά τα ίδια τα μόρια της διαλυμένης ουσίας. Αντί λοιπόν του όγκου V του διαλύματος, λαμβάνεται ο όγκος του διαλύτη (V'). Η εξίσωση που προκύπτει είναι γνωστή ως ''εξίσωση Morse'' :
<div style='text-align: center;'> K<sub>x</sub>A<sub>y</sub> → xK<sup>+y</sup> + yA<sup>-x</sup>
</div>
θα είναι i = x + y. Έτσι π.χ. για το Ca<sub>3</sub>(PO<sub>4</sub>)<sub>2</sub> → 3Ca<sup>+2</sup> + 2PO<sub>4</sub><sup>-3−3</sup> θα είναι i = 3 + 2 = 5.
 
'''2) Διαλύματα ασθενών ηλεκτρολυτών'''<br />
 
=== Μέτρηση της ωσμωτικής πίεσης ===
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 &nbsp;m/s<sup>2</sup> 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.
 
== Ημιπερατές μεμβράνες ==
[[Αρχείο:Semipermeable membrane.png|thumb|250px|Αναπαράσταση ημιπερατής μεμβράνης (με κίτρινο χρώμα) κατά τη διάρκεια της αιμοδιάλυσης. Κόκκινο = ερυθρά αιμοσφαίρια, μπλε = διαλυτικό υγρό]]
Οι ημιπερατές μεμβράνες, που ονομάζονται και ''ωσμωτικά διαφράγματα'', επιτρέπουν τη δίοδο των μορίων του διαλύτη όχι όμως και των μορίων ή ιόντων της διαλυμένης ουσίας. Οι πόροι των μεμβρανών αυτών είναι γενικά μικρότεροι των 250 &nbsp;nm (250.10<sup>-9−9</sup> m). Πολλές φυσικές, ιδίως ζωικές, μεμβράνες (κύστεις) μπορούν να χρησιμοποιηθούν σαν ημιπερατές μεμβράνες. Πολύ καλές μεμβράνες είναι είναι επίσης πορώδεις πλάκες που περιέχουν στους πόρους τους δυσδιάλυτα άλατα.<br />
Οι ημιπερατές μεμβράνες που χρησιμοποιούνται στην πράξη χωρίζονται σε δύο κατηγορίες :
* Διογκωμένα υλικά κολλοειδούς σύστασης όπως π.χ. η ζελατίνη, το ελαστικό κόμμι, η κυτταρίνη και τα παράγωγά της κ.ά.
* Μη διογκωμένα υλικά όπως π.χ. τα περισσότερα δυσδιάλυτα σύμπλοκα άλατα όπως είναι ο σιδηροκυανιούχος χαλκός, Cu<sub>2</sub>[Fe{(CN)<sub>6</sub>], όταν βρίσκονται στους πόρους πορωδών δοχείων, το ωσμωτικό διάφραγμα Traube κ.ά.
Το σπουδαιότερο χαρακτηριστικό γνώρισμα κάθε ημιπερατής μεμβράνης είναι η διαπερατότητά της στα διάφορα μόρια ή σωματίδια. Η διαπερατότητα εξαρτάται από τη σύσταση της μεμβράνης και ιδίως από τις ηλεκτροχημικές ιδιότητές της. Η ιδιότητα που έχει μια ημιπερατή μεμβράνη να μην επιτρέπει τη δίοδο των μορίων της διαλυμένης ουσίας δεν οφείλεται στη διάμετρο των πόρων της μεμβράνης ή στο μέγεθος των μορίων της διαλυμένης ουσίας αλλά σε εκλεκτική παρεμπόδιση ηλεκτροχημικής κυρίως φύσης.
 
[[Κατηγορία:Βιοχημεία]]
[[Κατηγορία:Κύτταρο]]
 
[[Κατηγορία:Χημικές διεργασίες]]
 
[[Κατηγορία:Χημικές ιδιότητες]]
30.659

επεξεργασίες