Οσμωτική Πίεση – Ορισμός, Τύπος, Παραδείγματα

Οσμωτική πίεση είναι η ελάχιστη πίεση που εμποδίζει τα μόρια του διαλύτη (νερό) να ρέουν μέσα από μια ημιπερατή μεμβράνη. Με άλλα λόγια, είναι η πίεση ενός διαλύτη σε μια ημιπερατή μεμβράνη που επιδιώκει να εξισώσει τη συγκέντρωση ενός διαλύματος και στις δύο πλευρές της μεμβράνης. Η ωσμωτική πίεση είναι μια συλλογική ιδιότητα της ύλης, επομένως εξαρτάται από τον αριθμό των σωματιδίων της διαλυμένης ουσίας και όχι από τη χημική τους ταυτότητα.

Τι είναι η ωσμωτική πίεση; Πώς λειτουργεί

Η ωσμωτική πίεση είναι ένα παράδειγμα διάχυσης και όσμωσης. Κατά τη διάχυση, τα μόρια μετακινούνται από περιοχές υψηλής συγκέντρωσης σε περιοχές χαμηλής συγκέντρωσης έως ότου τόσο η διαλυμένη ουσία όσο και ο διαλύτης διασκορπιστούν ομοιόμορφα. Στην όσμωση, υπάρχει μια ημιπερατή μεμβράνη που επιτρέπει την κίνηση του μορίου του διαλύτη, αλλά απαγορεύει τη μεταφορά μεγαλύτερων μορίων διαλυμένης ουσίας.

Όταν διαχωρίζετε έναν καθαρό διαλύτη ή ένα αραιό διάλυμα και ένα συμπυκνωμένο διάλυμα χρησιμοποιώντας μια ημιπερατή μεμβράνη, το νερό ρέει κατά μήκος της μεμβράνης. Η κίνηση του διαλύτη συνεχίζεται έως ότου η συγκέντρωση είναι ίδια και στις δύο πλευρές. Έτσι, μπορείτε να δείτε την οσμωτική πίεση είτε ως τη δύναμη των μορίων του διαλύτη που πιέζουν κατά μήκος της μεμβράνης στο συμπυκνωμένο διάλυμα ή ως την πίεση που πρέπει να ασκήσετε σε αυτό το διάλυμα για να αποτρέψετε τη διέλευση του νερού από τη μεμβράνη.

Παραδείγματα ωσμωτικής πίεσης

Τα ερυθρά αιμοσφαίρια σε διάφορα διαλύματα είναι ένα εξαιρετικό παράδειγμα οσμωτικής πίεσης. Η κυτταρική μεμβράνη είναι μια ημιπερατή μεμβράνη.

• Εάν τοποθετήσετε ερυθρά αιμοσφαίρια στο νερό, το νερό είναι υποτονικό ή λιγότερο συμπυκνωμένο σε σύγκριση με το περιεχόμενο των κυττάρων. Το νερό από το εξωτερικό των κυττάρων σπρώχνει μέσα από την κυτταρική μεμβράνη. Τα κύτταρα διογκώνονται και σκάνε.
• Τοποθέτηση ερυθρών αιμοσφαιρίων σε ισοτονικό διάλυμα (όπως το φυσιολογικό ορό) δεν προκαλεί καμία αλλαγή στο μέγεθος ή την εμφάνιση των κυττάρων. Το νερό εισέρχεται και εξέρχεται από τα κύτταρα με τον ίδιο ρυθμό.
• Εάν τοποθετήσετε ερυθρά αιμοσφαίρια σε συμπυκνωμένο διάλυμα, το υγρό είναι υπερτονικό ή πιο συμπυκνωμένο από το κυτταρόπλασμα του κυττάρου. Το νερό εξέρχεται από τα κύτταρα, δίνοντάς τους μια συρρικνωμένη, τσαλακωμένη εμφάνιση (δημιουργία).

Μπορείτε να δείξετε την επίδραση της οσμωτικής πίεσης χρησιμοποιώντας ένα αυγό. Πρώτα, μουλιάστε ένα ωμό αυγό σε ξύδι ή ασθενές οξικό οξύ και διαλύστε το κέλυφος. Αυτό αφήνει μια ημιπερατή μεμβράνη που περιβάλλει τον κρόκο και το ασπράδι του αυγού.

• Βάζουμε το αυγό σε σιρόπι καλαμποκιού. Το σιρόπι περιέχει πολλή ζάχαρη αλλά πολύ λίγο νερό άρα είναι υπερτονικό ως προς την περιεκτικότητα του αυγού. Το νερό ρέει κατά μήκος της μεμβράνης από το αυγό στο σιρόπι. Το αυγό συρρικνώνεται, αφήνοντας μόνο τον κρόκο που φαίνεται.
• Τοποθετήστε το αυγό σε καθαρό νερό. Το νερό είναι υποτονικό σε σχέση με το περιεχόμενο του αυγού, επομένως το νερό διασχίζει τη μεμβράνη μέσα στο αυγό και το κάνει να φουσκώσει.

Τύπος οσμωτικής πίεσης

Η πίστωση για τον τύπο της οσμωτικής πίεσης πηγαίνει στον Jacobus van’t Hoff. Ο τύπος συσχετίζει την οσμωτική πίεση με τη συγκέντρωση διαλυμένης ουσίας:

Π =iMRT

Εδώ, Π είναι η οσμωτική πίεση, i είναι ο συντελεστής van’t Hoff, M είναι η μοριακή συγκέντρωση διαλυμένης ουσίας, R είναι η ιδανική σταθερά αερίου και T είναι η απόλυτη θερμοκρασία.

Παράδειγμα προβλήματος

Για παράδειγμα, πόση γλυκόζη (C₆ H₁₂ O₆ ) ανά λίτρο νερού χρειάζεστε για ένα ενδοφλέβιο διάλυμα που είναι ισοτονικό με το αίμα (7,64 atm στους 37 °C);

1. Το πρώτο βήμα είναι ο προσδιορισμός του παράγοντα van’t Hoff. Η γλυκόζη διαλύεται στο νερό, αλλά δεν διασπάται σε ιόντα. Άρα, ο συντελεστής van’t Hoff είναι 1.
2. Στη συνέχεια, μετατρέψτε τη θερμοκρασία Κελσίου σε απόλυτη θερμοκρασία (Kelvin). Η απόλυτη θερμοκρασία είναι 37 + 273 =310 Kelvin.
3. Τώρα, υπολογίστε τη συγκέντρωση της γλυκόζης.

Αυτό περιλαμβάνει την αναδιάταξη του τύπου της οσμωτικής πίεσης:

Π =iMRT
M =Π/iRT =7,65 atm/(1)(0,08206 L·atm/mol·K)(310) =0,301 mol/L

Για κάθε λίτρο διαλύματος υπάρχουν 0,301 mole σακχαρόζης.

Βρείτε τη μοριακή μάζα της γλυκόζης. Από τον περιοδικό πίνακα:

C =12 g/mol
Η =1 g/mol
O =16 g/mol

Χρησιμοποιώντας τον τύπο γλυκόζης (C₆ H₁₂ O₆ ), η μοριακή μάζα είναι:

μοριακή μάζα γλυκόζη =6(12) + 12(1) + 6(16) =72 + 12 + 96 =180 g/mol

Η μάζα γλυκόζης που χρειάζεστε για να φτιάξετε το διάλυμα είναι η μοριακή μάζα πολλαπλασιαζόμενη επί τη μάζα της γλυκόζης:

μάζα γλυκόζης =0,301 mol x 180 g/mol =54,1 γραμμάρια

Λάβετε υπόψη ότι άλλες διαλυμένες ουσίες σε ένα διάλυμα επηρεάζουν επίσης την οσμωτική πίεση. Σε αυτό το παράδειγμα, το διάλυμα πιθανότατα είναι γλυκόζη σε φυσιολογικό ορό και όχι γλυκόζη σε καθαρό νερό.

Αναφορές

• Atkins, Peter W.; de Paula, Julio (2010). «Ενότητα 5.5 (ε)». Φυσική χημεία (9η έκδ.). Oxford University Press. ISBN 978-0-19-954337-3.
• Lewis, Gilbert Newton (1908). «Η ωσμωτική πίεση των συμπυκνωμένων διαλυμάτων και οι νόμοι της τέλειας λύσης». Journal of the American Chemical Society . 30 (5):668–683. doi:10.1021/ja01947a002
• Voet, Donald; Judith Aadil; Charlotte W. Pratt (2001). Βασικές αρχές της Βιοχημείας (Εκδ. επιμ.). Νέα Υόρκη:Wiley. ISBN 978-0-471-41759-0.