Osmose
Osmose er netto transport av løsemiddel gjennom en membran som er mye mer permeabel for løsemiddelet enn for det oppløste stoffet. Retningen bestemmes av løsemiddelets kjemiske potensial, ikke av en mystisk kraft som «trekker vann mot salt».
En semipermeabel membran skaper situasjonen
Hvis løst stoff ikke kan passere mens løsemiddelet kan, kan komponentene ikke blandes på vanlig måte. Løsemiddelet tenderer mot siden der dets kjemiske potensial er lavere; for fortynnede løsninger ved samme T og P er dette vanligvis siden med høyere partikkelkonsentrasjon.
Selektiv permeabilitet er avgjørende. Hvis begge komponenter kan passere fritt, blir prosessen vanlig diffusjon og problemet er et annet.
Osmotisk trykk balanserer strømningen
For en ideell fortynnet løsning gjelder π = iMRT. π er osmotisk trykk, M molar konsentrasjon, T absolutt temperatur og i en effektiv partikkelfaktor.
Osmotisk trykk er det ekstra trykket som må påføres løsningssiden for å stoppe netto innstrømming av løsemiddel. Trykk er den termodynamiske motvariabelen som kan balansere forskjellen i kjemisk potensial.
Osmotisk trykk
Tonisitet er en biologisk anvendelse, ikke et synonym
For celler betyr membranens permeabilitet på den relevante tidsskalaen noe. En løsning kan være iso-osmotisk, men ikke isoton hvis det oppløste stoffet raskt passerer membranen.
Hypoton og hyperton beskriver dermed virkning på cellevolum i en bestemt biologisk membran, ikke bare et tall for total osmolaritet.
Virkelige løsninger avviker fra idealformelen
van ’t Hoff-uttrykket fungerer best i fortynnede løsninger. Elektrolyttioner vekselvirker, molekyler kan assosiere, og membraner er sjelden perfekt selektive.
Ved presise målinger erstattes enkel partikkeltelling av aktiviteter og målte osmotiske koeffisienter. Omvendt osmose bruker et påtrykt trykk større enn π for å drive løsemiddel motsatt vei, blant annet ved avsalting.
Løste eksempler
1. Sukrose
0,20 M sukrose ved 298 K med i≈1. Finn π i atm.
Løsning
π = (0,20)(0,08206)(298) ≈ 4,89 atm.
2. NaCl mot sukrose
Hvorfor gir 0,20 M NaCl ideelt større π enn 0,20 M sukrose?
Løsning
NaCl dissosierer omtrent i to ioner, så i er nær 2; sukrose har i≈1. Osmotisk trykk er derfor ideelt omtrent dobbelt så stort.
3. Omvendt osmose
En løsning har π = 25 bar. Hva skjer hvis 30 bar påføres løsningssiden?
Løsning
Siden det påførte trykket overstiger π, kan netto løsemiddelstrøm drives i omvendt retning.
Et nyttig kontroll er å formulere problemet i løsemiddelets kjemiske potensial: løst stoff senker dette potensialet ved samme temperatur og trykk, mens et mekanisk trykk på løsningssiden kan øke det igjen. Ved osmosevekt er det derfor ingen netto løsemiddelstrøm, selv om molekyler fortsatt beveger seg begge veier gjennom membranen. I biologiske systemer må tids-skala og membranpermeabilitet alltid oppgis før man trekker slutninger om tonisitet.