Osmóza

Selektívna membrána je súčasť definície

Ak membrána prepúšťa molekuly rozpúšťadla, ale zadržiava rozpustenú látku, na oboch stranách sa môžu udržiavať rozdielne zloženia. Chemický potenciál rozpúšťadla sa potom líši a vzniká termodynamická hnacia sila pre jeho prenos.

Veta „voda tečie z menšej koncentrácie rozpustenej látky k väčšej“ je užitočná iba pre jednoduchý prípad. Všeobecnejší opis sleduje chemický potenciál rozpúšťadla a zahŕňa aj tlak, teplotu a neideálne správanie.

Osmotický tlak vyrovnáva hnaciu silu

Osmotický tlak π je najmenší dodatočný tlak na strane roztoku, ktorý zastaví čistý tok rozpúšťadla. Pre dostatočne zriedené roztoky platí π = iMRT, formálne podobná rovnici ideálneho plynu.

M je molarita rozpustených častíc, T absolútna teplota, R plynová konštanta a i van ’t Hoffov faktor. Pri koncentrovanejších roztokoch je tento vzťah aproximáciou a presnejší opis používa aktivity.

Elektrolyty menia počet účinných častíc

Sacharóza nedisociuje, preto je i v zriedenom roztoku blízke 1. Ideálny NaCl by vytvoril dva ióny a i ≈ 2, CaCl₂ tri ióny a i ≈ 3. Skutočné hodnoty bývajú menšie, pretože ióny interagujú a nie sú úplne nezávislé.

Dva roztoky s rovnakou molaritou zlúčeniny preto nemusia mať rovnaký osmotický tlak. Rozhoduje počet osmoticky aktívnych častíc, nie iba počet molov chemického vzorca.

Rovnováha neznamená zastavenie molekúl

Keď hydrostatický protitlak vyrovná vplyv zloženia, molekuly rozpúšťadla môžu prechádzať membránou v oboch smeroch, ale priemerný čistý tok je nulový. Ide o dynamickú rovnováhu.

Ak vonkajší tlak na koncentrovanej strane prekročí π, čistý tok možno obrátiť. Reverzná osmóza využíva túto podmienku pri odsoľovaní a čistení vody; reálne membrány však majú odpor a konečnú selektivitu.

Tonicita závisí od konkrétnej membrány

V biológii izotonický roztok neznamená jednoducho rovnakú celkovú molaritu. Dôležitá je účinná osmolarita látok, ktoré cez danú bunkovú membránu neprenikajú rýchlo. Voľne prenikajúca látka nemusí udržať trvalý tonický rozdiel.

Bunka v hypertonickom prostredí čisto stráca vodu a v hypotonickom ju získava, ak sú príslušné častice pre membránu prakticky nepriepustné. Preto treba vždy určiť membránu aj uvažované zložky.

Hranice ideálneho modelu

Rovnica π = iMRT funguje najlepšie pre zriedené roztoky. Pri vyšších koncentráciách sa prejavia aktivitné koeficienty, iónové interakcie, asociácia a vlastnosti membrány.

Termodynamika určuje smer a podmienku rovnováhy, nie však rýchlosť. Rýchlosť transportu závisí od priepustnosti, plochy a hrúbky membrány aj od miešania a koncentračných vrstiev pri jej povrchu.

Vyriešené príklady

1. 0,10 mol/L sacharózy pri 298 K

2. Ideálny 0,10 mol/L NaCl

3. Reverzná osmóza