Осмотическое давление. Закон вант-гоффа

Осмос (др.-греч. wsmoV толчок, давление) есть явление самопроизвольного перехода молекул растворителя из более разбавленного в менее разбавленный раствор. Это явление наблюдается в том случае, когда оба раствора отделены друг от друга полупроницаемой перегородкой, пропускающей только растворитель (рис. 32).

Рис. 32. Схема прибора, демонстрирующего явление осмоса

 

В левом сосуде (рис. 32) полупроницаемой перегородкой разделены раствор соли в воде и чистая вода. В термодинамически неравновесной системе происходит самопроизвольный процесс выравнивания концентраций путем проникновения молекул воды через полупроницаемую перегородку в концентрированный раствор соли. Преградой такому движению растворителя служит увеличивающееся давление столба жидкости, как показано в правом сосуде на рис. 32. Процесс выравнивания концентраций останавливается при достижении некоторого давления p. Перепад уровней между раствором и чистым растворителем в правом колене отражает осмотическое давление воды p.

К осмотическому давлению применимы законы газового состояния:

p V = nRT илиp = сRT,

где V – объем раствора, n – количество моль растворенного вещества, R – газовая постоянная, Т – абсолютная температура.

Последнее уравнение называется законом Вант-Гоффа.

Явление осмоса играет важную роль в жизни растений и живых организмов. У млекопитающих осмотическое давление большинства биологических жидкостей равно осмотическому давлению крови. Осмотическое давление, создаваемое в клетках животных растворами белков, полисахаридов и др., незначительно, но играет важную роль в обмене веществ.

Свойства, зависящие от количества составляющих раствора, а не от природы его частиц, называют коллигативными свойствами растворов.

Законы Рауля р₁ = р₁⁰N₁; Генри с = к _г. р; Вант-Гоффа

p = сRT; а также повышение температуры кипения и понижение температуры замерзания водного раствора нелетучего вещества DТ _кип. = Э×с_m, и DТ _кр. = Кс_m отражают проявление растворами коллигативных свойств.

 

 

Краткий итог темы

1. Растворы это однородные (гомогенные) системы, состоящие из двух или большего числа компонентов, имеющих молекулярную, ионную или атомную степень раздробленности.

2. В гомогенных системах (растворах) существуют наиболее благоприятные условия для контакта реагентов (атомов, молекул или ионов) во всем объеме. Если необходимо увеличить скорость процесса, то гомогенные реакции предпочтительнее гетерогенных, так как в гетерогенных системах участие реагентов в реакции ограничено поверхностью раздела фаз.

3. Концентрацию вещества в растворе выражают различными способами.

Отношение количества n моль растворенного вещества, содержащегося в V л раствора, с = n / V моль/л выражает молярность раствора.

Отношение количества n_i моль вещества данного компонентак суммарному количеству (S n_i) моль всех веществ, составляющих раствор, N = n_i / Sn_j выражает молярную долю соединения в растворе.

Отношение массы m_i кг данного растворенного вещества к массе (S m_j) кг раствора выражает массовую долю растворенного вещества. Массовая доля может быть выражена в долях единицы или в процентах: w = m_i / Sm_j или w = 100 m_i / Sm_j, %.

4. Свойства разбавленных растворов по своим характеристикам приближаются к свойствам идеальных растворов, в которых отсутствует взаимодействие между частицами.

Свойства, зависящие от количества, но не от природы частиц раствора, называют коллигативными свойствами растворов.

Законы Рауля р ₁ = р ₁ ⁰N ₁; Генри с = к _г ×р; Вант-Гоффа

p = сRT; эбулиоскопия DТ _кип = Э×с_m, и криоскопия D Т _кр = Кс_m отражают проявление растворами коллигативных свойств.

 

Термины для запоминания

Насыщенный раствор - гомогенная смесь, содержащая наибольшее при данной температуре количество растворенного вещества.

Осмос – явление самопроизвольного перехода молекул растворителя из более разбавленного раствора в менее разбавленный, если оба раствора отделены друг от друга полупроницаемой перегородкой.

Осмотическим давлением (p) называют избыточное гидростатическое давление, возникающее в результате осмоса.

Растворами называют однородные (гомогенные) системы, состоящие из двух или большего числа компонентов, имеющих молекулярную, ионную или атомную степень раздробленности.

Растворимость (S) определяется количеством вещества, которое способно раствориться в данном количестве растворителя с образованием насыщенного раствора при постоянной температуре и давлении.

Вопросы для проверки знаний

1. Какой раствор называют идеальным и чем реальный раствор отличается от идеального?

2. Какое различие существует между растворами и дисперсными системами?

3. Можно ли теоретически предсказать растворимость вещества?

4. Какие способы выражения концентрации вещества в растворе являются безразмерными?

5. Возрастает ли с увеличением температуры растворимость:

а) газов; б) жидкостей; в) твердых веществ в воде?

6. Связано ли кипение воды и образование пузырьков пара с местным перегревом жидкости?

7. Увеличивается ли температура кипения водного раствора нелетучего вещества по сравнению с чистой водой?

8. Увеличивается ли температура замерзания водного раствора нелетучего вещества по сравнению с чистой водой?

9. Какой физико-химический процесс лежит в основе осмотических явлений?

 

Упражнения

1. Экспериментально установлено, что в водах Мирового океана растворено углекислого газа в 60 раз больше, чем его содержится в атмосфере. Напишите химические превращения СО₂ при растворении в морской воде.

2. В растворе содержится нелетучий компонент. Докажите, что уравнение , где N ₂ – мольная доля нелетучего компонента, есть аналитическое выражение закона Рауля.

3. В закрытом сосуде находятся два стакана. Один содержит чистую воду, другой – раствор нелетучего компонента. Изменятся ли со временем уровни жидкости в стаканах?

4. Объясните, почему температуры замерзания растворов сахара (0.2 моль/л) и соли (0.2 моль/л) будут различаться.

5. В коленах U-образного сосуда, разделенных мембраной, содержится раствор соли (левое колено) и чистая вода (правое колено). Предложите способ получения чистой воды из солевого раствора, используя свойства мембраны.

6. Какая масса хлорида натрия (поваренная соль) и воды необходима для приготовления 400 г раствора с массовой долей соли 2%?

 

ТЕМА 4

РАСТВОРЫ ЭЛЕКТРОЛИТОВ

Обнаружение растворов, которые проводят электрический ток, послужило началом исследований электролитов. Электролиты – вещества, расплавы и растворы которых обладают ионной проводимостью электрического тока. Характерными структурными единицами электролитов являются ионы (рис. 33).

 

 

Рис. 33. Электролит NaCl: а) в твердом состоянии (кристалл соли); б) в жидком состоянии (в расплаве при Т >801⁰C)

 

Появление теории электролитической диссоциации, разработанной шведским физико-химиком С. Аррениусом (1859-1927), послужило мощным толчком быстрого развития электрохимии. Изучая свойства растворов различных соединений, Аррениус обратил внимание на свойства некоторых растворов проводить электрический ток.

На основании своих наблюдений он сформулировал положение о том, что при растворении некоторых веществ в воде они самопроизвольно распадаются на заряженные частицы - ионы. Такие растворы обладают ионной проводимостью.