Osmoza

Błona selektywna jest częścią definicji

Jeśli błona przepuszcza cząsteczki rozpuszczalnika, ale zatrzymuje rozpuszczoną substancję, po obu stronach mogą utrzymywać się różne składy. Rozpuszczalnik ma wtedy inny potencjał chemiczny po stronie rozcieńczonej i stężonej, co tworzy siłę napędową dla przepływu.

Popularne zdanie „woda płynie od małego stężenia do dużego” jest użytecznym skrótem tylko dla prostego układu. Pełniejszy opis mówi o wyrównywaniu potencjału chemicznego rozpuszczalnika i obejmuje także wpływ ciśnienia, temperatury oraz nieidealności roztworu.

Ciśnienie osmotyczne równoważy napęd osmozy

Ciśnienie osmotyczne π jest minimalnym dodatkowym ciśnieniem przyłożonym po stronie roztworu, które zatrzymuje netto przepływ rozpuszczalnika. Dla dostatecznie rozcieńczonych roztworów obowiązuje zależność π = iMRT, analogiczna formalnie do równania gazu doskonałego.

M oznacza molarność cząstek substancji rozpuszczonej, T temperaturę bezwzględną, R stałą gazową, a i współczynnik van ’t Hoffa. Zależność jest przybliżeniem: przy większych stężeniach zamiast surowych stężeń potrzebne są aktywności.

Elektrolity zmieniają liczbę skutecznych cząstek

Sacharoza nie dysocjuje, więc w rozcieńczonym roztworze i jest bliskie 1. Idealnie NaCl dawałby dwa jony i i ≈ 2, a CaCl₂ trzy jony i i ≈ 3. Rzeczywiste wartości bywają mniejsze, ponieważ jony oddziałują i nie zachowują się jak całkowicie niezależne cząstki.

To dlatego dwa roztwory o tej samej molarności związku nie muszą mieć tego samego ciśnienia osmotycznego. Właściwe porównanie dotyczy liczby osmotycznie aktywnych cząstek, nie tylko liczby moli wzoru chemicznego.

Równowaga nie oznacza zatrzymania ruchu cząsteczek

Gdy różnica ciśnień hydrostatycznych zrównoważy efekt składu, przepływy mikroskopowe przez błonę mogą zachodzić w obie strony, ale ich średni bilans jest zerowy. To dynamiczna równowaga, nie nieruchoma bariera.

Jeśli zewnętrzne ciśnienie po stronie stężonej przekroczy π, kierunek netto można odwrócić. Odwrócona osmoza wykorzystuje właśnie ten warunek do odsalania i oczyszczania wody, przy czym rzeczywiste membrany mają opory i ograniczoną selektywność.

Toniczność dotyczy konkretnej błony i konkretnych substancji

W biologii roztwór izotoniczny nie jest po prostu roztworem o takiej samej całkowitej molarności. Liczy się skuteczna osmolarność substancji, które nie przenikają szybko przez daną błonę komórkową. Substancja swobodnie przenikająca może początkowo wpływać na osmolarność, ale nie utrzymuje trwałej różnicy tonicznej.

Komórka w roztworze hipertonicznym traci netto wodę, a w hipotonicznym zyskuje ją, jeśli rozważane substancje są dla błony praktycznie nieprzepuszczalne. Trzeba więc zawsze podać, jaka błona i jakie składniki są rozpatrywane.

Granice modelu idealnego

Równanie π = iMRT działa najlepiej dla roztworów rozcieńczonych, gdzie oddziaływania między cząstkami są słabe. W roztworach stężonych współczynniki aktywności, asocjacja, oddziaływania jonowe i własności membrany powodują odchylenia.

Osmoza jest zjawiskiem równowagowym i transportowym jednocześnie: termodynamika określa kierunek i warunek równowagi, natomiast szybkość zależy od przepuszczalności, powierzchni membrany, grubości warstwy i mieszania po obu stronach.

Przykłady rozwiązane

1. 0,10 mol/L sacharozy w 298 K

2. Idealny 0,10 mol/L NaCl

3. Odwrócona osmoza