Дифузія і осмос в розчинах
Явище дифузії можна спостерігати при проведенні наступного досвіду. Якщо в склянку з пофарбованим розчином будь-якого речовини обережно налити розчинник, то спочатку між шарами розчину і розчинника буде спостерігатися чітка межа розділу. Поступово межа розділу розмивається, і через деякий час весь об'єм рідини придбає рівномірне забарвлення. Це відбувається в результаті дифузії.
Дифузія - мимовільний перенесення речовини з області з більшою концентрацією в область з меншою концентрацією.
У наведеному прикладі розчинена речовина дифундує в шар чистого розчинника, а молекули розчинника переходять в шар розчину - цей процес двосторонній дифузії закінчується вирівнюванням концентрації у всьому обсязі.
Швидкість дифузії вимірюється кількістю речовини, перенесеним за одиницю часу через одиницю площі. Вона пропорційна різниці концентрацій в двох шарах рідини і температурі. Чим більше різниця концентрацій і чим вище температура, тим швидкість дифузії більше. У міру вирівнювання концентрації швидкість дифузії зменшується.
Дифузія може йти в тому випадку, якщо між шаром розчину і шаром розчинника помістити напівпроникну перегородку - мембрану. Напівпроникними перегородками для водних розчинів можуть служити природні плівки, стінки клітин, а також плівки, отримані штучним шляхом (целофан, пергамент). Через ці плівки можуть проходити маленькі молекули розчинника і не проходять більші молекули розчинених речовин.
Одностороння дифузія розчинника в розчин через напівпроникну перегородку називається осмосом.
Обсяг розчину в результаті осмосу збільшується, при цьому виникає тиск на стінки посудини, в якому знаходиться розчин. Це тиск називається осмотичним. Осмотичний тиск може бути оцінений тиском стовпа рідини у вертикальній трубці над рівнем розчину. Цей прилад може служити для визначення осмотичного тиску і називається осмометром.
На підставі досвідчених даних вимірювання осмотичного тиску розчинів при різних температурах і концентраціях було встановлено, що розбавлені розчини добре підкоряються законам ідеальних газів.
Ця схожість розбавлених розчинів з ідеальними газами вперше було помічено Вант-Гофф і набуло статусу закону:
Ця залежність виражається рівнянням Вант-Гоффа:
де p - осмотичний тиск,
- кількість розчиненої речовини,
R - універсальна газова постійна,
V - об'єм розчину.
Осмотичний тиск розбавлених-го розчину дорівнює тому тиску, яке виробляло б розчинена речовина, якби воно у вигляді газу при цій же температурі займало той же обсяг, що і розчин.
Розчини електролітів мають більш високий осмотичний тиск, ніж обчислена за рівнянням. Для таких розчинів Вант-Гофф ввів в це рівняння коефіцієнт i, званий ізотонічним коефіцієнтом.
Осмос має велике значення для процесів життєдіяльності тварин і рослин. Процеси засвоєння їжі, обміну речовин тісно пов'язані з різною проникністю води і розчинених речовин через стінки клітин живих організмів. Осмос зумовлює підняття води по стеблу рослин, зростання клітини і багато інших явищ. Якщо помістити клітку в розчин, концентрація якого дорівнює концентрації клітинного соку, то стан клітини не зміниться, так як осмотичний тиск в клітині і в розчині однаково. Такі розчини, що мають однакове осмотичний тиск називаються ізотонічними.
У міцних сольових розчинах спостерігається зморщування клітин (плазмоліз), обумовлене втратою води, що йде з клітин в більш концентрований зовнішній розчин. При цьому осмотичний тиск зовнішнього розчину вище, ніж усередині клітини, і розчин називається гіпертонічним. Якщо ж помістити клітку в розчин, концентрація якого буде нижче концентрації клітинного соку, то відбувається всмоктування води в клітину. Обсяг клітини збільшується, і клітина знаходиться в стані напруги (тургору). Це явище пояснюється більш низьким осмотичним тиском зовнішнього розчину, який називають гіпотонічним. Осмос грає велику роль в житті всіх організмів. Осмотичний тиск в крові, лімфі і тканинах людини досягає 7,7 атм (0,8 МПа).
Таке ж тиск має 0,9% розчин хлориду натрію. Такий розчин називають фізіологічним, він часто служить основою для ліків, що вводяться в організм ін'єкцією. Організм людини має здатність підтримувати осмотичний тиск на постійному рівні. При зміні осмотичного тиску організм прагне відновити його. Так, при введенні в організм з їжею солі або цукру осмотичнийтиск змінюється. Щоб привести його в норму, з'являється відчуття спраги.
Широко відомо застосування високих концентрацій цукру або солі для консервування харчових продуктів. У цих умовах через високу концентрацію розчину мікроорганізми піддаються плазмолізу і стають нежиттєздатними.