Дифузія і осмос 1
Як відомо, при температурі вище абсолютного нуля всі молекули знаходяться в постійному хаотичному русі. Це показує, що вони мають певну кінетичну енергію. Завдяки постійному руху при змішуванні двох рідин або двох газів їх молекули рівномірно розподіляються по всьому доступному обсягом.
Дифузія - це процес, що веде до рівномірного розподілу молекул розчиненої речовини і розчинника. Як будь-який рух, дифузія вимагає енергії. Дифузія завжди спрямована від більшої концентрації даної речовини до меншої, від системи, володіє більшою вільної енергією, до системи з меншою вільної енергією. Вільної енергією називається частина внутрішньої енергії системи, яка може бути перетворена в роботу. Вільна енергія, віднесена до 1 молю речовини, зветься хімічного потенціалу. Таким чином, хімічний потенціал - це міра енергії, яку дана речовина використовує на реакції або рух. Хімічний потенціал - функція концентрації. Швидкість дифузії залежить від температури, природи речовини і різниці концентрацій. Чим вище концентрація даної речовини, тим вище його активність і його хімічний потенціал. Дифузійне пересування речовини завжди йде від більшого до меншого хімічним потенціалом. Найбільший хімічний потенціал у чистої води. Додавання до води молекул розчиненої речовини призводить до виникнення зв'язку між молекулами води і розчиненої речовини, що зменшує її активність, її вільну енергію, її хімічний потенціал. У тому випадку, якщо диффундирующие речовини зустрічають на своєму шляху мембрану, рух сповільнюється, а в деяких випадках припиняється. Дифузія води у напрямку від свого більшого до меншого хімічному потенціалу через мембрану носить назву осмосу. Інакше кажучи, осмос - це дифузія води або іншого розчинника через напівпроникну перетинку, викликана різницею концентрацій або різницею хімічних потенціалів.
Осмос - результат нерівності хімічних потенціалів води по різні боки мембрани. Ідеальна напівпроникна мембрана пропускає молекули води і не пропускає молекули розчиненої речовини. У 1877 р німецький фізіолог В. Пфеффер приготував штучну напівпроникну мембрану. Для цього в пористий фарфорову посудину наливали розчин мідного купоросу і поміщали в іншу посудину, заповнений розчином ферроцианида калію. У порах першого фарфорового судини розчини стикалися і реагували один з одним. В результаті в порах утворилася плівка з ферроцианида міді Cu2 [Fe (CN) 6], яка володіла напівпроникливості. Таким чином, була створена як би модель клітини: напівпроникна плівка імітувала мембрану, а стінки судини - пектоцеллюлозную оболонку. Посудина, в порах якого утворилася напівпроникна мембрана, заповнений розчином сахарози, поміщали в воду. Такий прилад отримав назву осмометрі. Хімічний потенціал води у внутрішньому посудині буде тим менше, чим вище концентрація сахарози. Таким чином, надходження води в розчин через напівпроникну перегородку обумовлюється різницею між вільною енергією чистої води і розчину, відбувається спонтанно за градієнтом вільної енергії води.
У осмометрі при наявності напівпроникною мембрани вода буде надходити в розчин, що призведе до його розведення, і рух води буде сповільнюватися. Якщо до осмометрі приєднати трубку, розчин буде підніматися по ній. Нарешті тиск стовпа рідини врівноважить силу, з якою молекули води надходять в осмометр. Таким чином, енергія молекул води, яка зменшилася завдяки введенню розчиненої речовини, восполнится тиском стовпа рідини. Це тиск підвищує хімічний потенціал розчину (Iр), роблячи його рівним хімічним потенціалом чистої води (Iв). Відповідно до закону термодинаміки самі йдуть тільки процеси, що супроводжуються виділенням енергії. У більшості випадків виміряти вільну енергію в абсолютному вираженні не представляється можливим. Однак можна виміряти різницю між кінцевим (g2) і початковим енергетичним станом (g1). Оскільки g1> g2. то зміна Δg матиме від'ємне значення. У нашому випадку g1 - це хімічний потенціал чистої води, a g2 - хімічний потенціал води після додавання розчиненого речовини. Δg дорівнюватиме, але протилежно за знаком того тиску, який треба прикласти до системи, щоб запобігти надходженню в нього води через напівпроникну мембрану. Δg і буде осмотический потенціал Ψосм розчину.
Таким чином, осмотичний потенціал дорівнює різниці між хімічним потенціалом розчину і хімічним потенціалом чистої води і завжди негативний. Осмотический потенціал показує недолік енергії в розчині в порівнянні з чистою водою, викликаний взаємодією вода - розчинена речовина. Інакше кажучи, осмотичний потенціал показує, наскільки додаток розчиненої речовини знижує активність води. Осмотический потенціал відноситься до так званих колігативні властивості, таким, як зниження точки замерзання або підвищення точки кипіння. Всі ці показники залежать від молярної концентрації. 1 моль розчину будь-якого недиссоциированного речовини має осмотичний потенціал -22,7 бару (-22,4 атм). Оскільки зменшення хімічного потенціалу, або активності води, пропорційно числу частинок, то при розчиненні дисоційованому речовин абсолютне значення осмотичного потенціалу буде більше, для чого вводиться відповідний (ізотонічний) коефіцієнт. Треба врахувати, що осмотичний потенціал будь-якого розчину проявляється тільки в умовах осмотичний системи: розчин - напівпроникна мембрана - розчинник. Сказане дає можливість виміряти осмотичний потенціал розчину (Ψ). Приєднавши манометр, можна виміряти тиск, яке треба докласти до системи, щоб запобігти надходженню води в розчин. Воно буде по абсолютній величині дорівнює, але протилежно за знаком осмотическому потенціалу розчину.