Osmoosi

Osmoosi on liuottimen nettoliikettä kalvon läpi, kun kalvo läpäisee liuotinta paljon paremmin kuin liuennutta ainetta. Suunnan määrää liuottimen kemiallinen potentiaali, ei kuvitteellinen voima, joka “vetäisi vettä suolaa kohti”.

Puoliläpäisevä kalvo luo osmoositilanteen

Jos liuennut aine ei pääse kalvon läpi mutta liuotin pääsee, tavallinen molempien komponenttien sekoittuminen estyy. Liuotin siirtyy kohti puolta, jossa sen kemiallinen potentiaali on alempi; laimeissa liuoksissa samalla T:llä ja P:llä tämä on yleensä suuremman liuenneiden hiukkasten pitoisuuden puoli.

Selektiivinen läpäisevyys on ratkaiseva. Jos molemmat komponentit pääsevät vapaasti läpi, kyse on tavallisesta diffuusiosta.

Selektiivinen kalvo läpäisee liuotinta mutta pidättää ideaalitapauksessa liuenneen aineen.

Osmoottinen paine tasapainottaa virtauksen

Ideaaliselle laimealle liuokselle π = iMRT. π on osmoottinen paine, M molaarinen pitoisuus, T absoluuttinen lämpötila ja i tehokas hiukkastekijä.

Osmoottinen paine on lisäpaine, joka pitäisi kohdistaa liuoksen puolelle nettoliuotinvirtauksen pysäyttämiseksi. Paine toimii kemiallisen potentiaalieron vastavaikuttavana termodynaamisena muuttujana.

Osmoottinen paine

M (mol L⁻¹)T (K)i

Liuoksen puolelle kohdistettu paine voi vastustaa osmoosia; tasapainossa nettoliuotinvirta on nolla.

Tonisuus on biologinen sovellus, ei synonyymi

Solujen kannalta merkitystä on sillä, mitkä aineet ylittävät kalvon tarkasteltavalla aikaskaalalla. Liuos voi olla iso-osmoottinen mutta ei isotoninen, jos liuennut aine pääsee nopeasti soluun.

Hypotoninen ja hypertoninen kuvaavat siis vaikutusta solun tilavuuteen tietyllä kalvolla, eivät pelkästään kokonaisosmolariteettia.

Todelliset liuokset poikkeavat ideaalikaavasta

van ’t Hoffin yhtälö toimii parhaiten laimeissa liuoksissa. Elektrolyyttien ionit vuorovaikuttavat, molekyylit voivat assosioitua ja kalvot ovat harvoin täydellisiä.

Tarkassa työssä käytetään aktiivisuuksia ja osmoottisia kertoimia. Käänteisosmoosissa liuoksen puolelle kohdistetaan π:tä suurempi paine, jolloin liuotin voidaan pakottaa kulkemaan vastakkaiseen suuntaan esimerkiksi suolanpoistossa.

Ratkaistut esimerkit

1. Sakkaroosi

0,20 M sakkaroosia 298 K:ssa, i≈1. Laske π atm-yksikössä.

Ratkaisu

π = (0,20)(0,08206)(298) ≈ 4,89 atm.

2. NaCl ja sakkaroosi

Miksi 0,20 M NaCl antaa ideaalisti suuremman π:n kuin sakkaroosi?

Ratkaisu

NaCl dissosioituu noin kahdeksi ioniksi, joten i≈2; sakkaroosilla i≈1. Paine on ideaalisti noin kaksinkertainen.

3. Käänteisosmoosi

Liuoksen π = 25 bar. Mitä 30 barin paine tekee?

Ratkaisu

Kun ulkoinen paine ylittää π:n, nettoliuotinvirta voidaan ajaa vastakkaiseen suuntaan.

Hyödyllinen tarkistus on kirjoittaa ongelma liuottimen kemiallisen potentiaalin avulla: liuennut aine alentaa sitä samassa lämpötilassa ja paineessa, kun taas liuospuolelle kohdistettu mekaaninen paine voi nostaa sitä. Osmoottisessa tasapainossa liuottimen nettovirtaus on nolla, vaikka molekyylejä kulkee kalvon läpi jatkuvasti molempiin suuntiin. Biologisissa järjestelmissä tonisuuden tulkinta vaatii aina tiedon kalvon läpäisevyydestä ja tarkasteluajasta.