Osmóza
Osmóza je čistý tok rozpouštědla přes membránu, která propouští rozpouštědlo podstatně snáze než rozpuštěnou látku. Směr určuje rozdíl chemického potenciálu rozpouštědla a osmotický tlak říká, jaký protitlak je potřeba k zastavení tohoto čistého toku.
Selektivní membrána je součástí definice
Propouští-li membrána molekuly rozpouštědla, ale zadržuje rozpuštěnou látku, mohou se na obou stranách udržovat různé koncentrace. Chemický potenciál rozpouštědla se pak liší a vzniká termodynamická hnací síla pro jeho přenos.
Věta „voda teče z nižší koncentrace rozpuštěné látky k vyšší“ je užitečná jen pro jednoduchý případ. Obecnější popis sleduje chemický potenciál rozpouštědla a zahrnuje také tlak, teplotu a neideální chování roztoku.
Osmotický tlak vyrovnává hnací sílu
Osmotický tlak π je nejmenší dodatečný tlak na straně roztoku, který zastaví čistý tok rozpouštědla. Pro dostatečně zředěné roztoky platí π = iMRT, vztah formálně podobný rovnici ideálního plynu.
M je molarita rozpuštěných částic, T absolutní teplota, R plynová konstanta a i van ’t Hoffův faktor. U koncentrovanějších roztoků je rovnice aproximací a přesný termodynamický popis používá aktivity.
Osmotický tlak
Elektrolyty mění počet účinných částic
Sacharóza nedisociuje, takže i je ve zředěném roztoku blízké 1. Ideální NaCl by vytvořil dva ionty a i ≈ 2, CaCl₂ tři ionty a i ≈ 3. Reálné hodnoty bývají nižší, protože ionty interagují a nechovají se jako zcela nezávislé částice.
Dva roztoky se stejnou molaritou látky proto nemusí mít stejný osmotický tlak. Rozhoduje počet osmoticky aktivních částic, ne pouze počet molů chemického vzorce.
Rovnováha neznamená zastavení molekul
Když hydrostatický protitlak vyrovná vliv složení, mohou molekuly rozpouštědla přecházet membránou v obou směrech, ale průměrný čistý tok je nulový. Jde o dynamickou rovnováhu.
Pokud vnější tlak na koncentrované straně překročí π, lze čistý tok obrátit. Reverzní osmóza využívá právě tuto podmínku při odsolování a čištění vody; skutečné membrány však mají odpor a konečnou selektivitu.
Tonicita závisí na konkrétní membráně
V biologii izotonický roztok neznamená jednoduše stejnou celkovou molaritu. Důležitá je účinná osmolarita látek, které přes danou buněčnou membránu nepronikají rychle. Volně permeující látka nemusí udržet trvalý osmotický rozdíl.
Buňka v hypertonickém prostředí ztrácí čistě vodu a v hypotonickém ji získává, pokud jsou příslušné částice pro membránu prakticky nepropustné. Vždy tedy musíme určit membránu i uvažované složky.
Meze ideálního modelu
Rovnice π = iMRT je nejlepší pro zředěné roztoky se slabými mezimolekulárními odchylkami. Ve vyšších koncentracích se projeví aktivitní koeficienty, iontové interakce, asociace a vlastnosti membrány.
Termodynamika určuje směr toku a podmínku rovnováhy, ale nikoli jeho rychlost. Rychlost transportu závisí na propustnosti, ploše a tloušťce membrány i na míchání a koncentračních vrstvách u jejího povrchu.
Řešené příklady
1. 0,10 mol/L sacharózy při 298 K
Řešení
Pro i ≈ 1: π = 1 × 0,10 × 0,08314 × 298 ≈ 2,48 bar.
2. Ideální 0,10 mol/L NaCl
Řešení
Při i ≈ 2 dává zředěný model asi 4,96 bar; skutečná hodnota může být nižší.
3. Reverzní osmóza
Řešení
Pro obrácení čistého toku je na straně roztoku nutný tlak P_applied > π.