Osmoza

Selektivna membrana dio je definicije

Ako membrana propušta molekule otapala, a zadržava otopljenu tvar, s obje strane mogu se održavati različiti sastavi. Kemijski potencijal otapala tada je različit i nastaje termodinamička pogonska sila za prijenos.

Rečenica „voda teče od manje koncentracije otopljene tvari prema većoj“ korisna je samo za jednostavan slučaj. Općenitiji opis prati kemijski potencijal otapala i uključuje tlak, temperaturu te neidealnost otopine.

Osmotski tlak uravnotežuje pogonsku silu

Osmotski tlak π najmanji je dodatni tlak na strani otopine koji zaustavlja neto tok otapala. Za dovoljno razrijeđene otopine vrijedi π = iMRT, veza koja je po obliku slična jednadžbi idealnog plina.

M je molarnost otopljenih čestica, T apsolutna temperatura, R plinska konstanta, a i van ’t Hoffov faktor. Pri većim koncentracijama jednadžba je aproksimacija; precizniji termodinamički opis koristi aktivnosti.

Elektroliti mijenjaju broj učinkovitih čestica

Saharoza ne disocira pa je i u razrijeđenoj otopini blizu 1. Idealni NaCl dao bi dva iona i i ≈ 2, a CaCl₂ tri iona i i ≈ 3. Stvarne vrijednosti mogu biti manje jer ioni međudjeluju.

Dvije otopine jednake molarnosti spoja zato ne moraju imati jednak osmotski tlak. Važan je broj osmotski aktivnih čestica, a ne samo broj molova kemijske formule.

Ravnoteža ne znači da molekule miruju

Kada hidrostatski protutlak uravnoteži učinak sastava, otapalo i dalje prolazi membranom u oba smjera, ali je prosječni neto tok nula. To je dinamička ravnoteža.

Ako vanjski tlak na koncentriranoj strani premaši π, neto tok može se preokrenuti. Reverzna osmoza koristi taj uvjet za desalinizaciju i pročišćavanje vode; stvarne membrane imaju otpor i konačnu selektivnost.

Toničnost ovisi o konkretnoj membrani

U biologiji izotonična otopina nije jednostavno otopina jednake ukupne molarnosti. Važna je učinkovita osmolarnost tvari koje kroz određenu staničnu membranu ne prolaze brzo. Slobodno propusna tvar ne održava trajnu toničnu razliku.

Stanica u hipertoničnoj okolini neto gubi vodu, a u hipotoničnoj je prima, ako su relevantne čestice za membranu praktično nepropusne. Zato uvijek treba navesti membranu i sastojke koje promatramo.

Granice idealnog modela

Jednadžba π = iMRT najbolja je za razrijeđene otopine. Pri većim koncentracijama postaju važni koeficijenti aktivnosti, ionska međudjelovanja, asocijacija i svojstva membrane.

Termodinamika određuje smjer i uvjet ravnoteže, ali ne brzinu. Brzina prijenosa ovisi o propusnosti, površini i debljini membrane te o miješanju i koncentracijskim slojevima uz njezinu površinu.

Riješeni primjeri

1. 0,10 mol/L saharoze pri 298 K

2. Idealni 0,10 mol/L NaCl

3. Reverzna osmoza