Osmoza

Selektivna membrana je del definicije

Če membrana prepušča molekule topila, zadržuje pa topljenec, se lahko na obeh straneh ohranjata različni sestavi. Kemijski potencial topila se zato razlikuje in nastane termodinamična gonilna sila za njegov prenos.

Trditev „voda teče od manjše koncentracije topljenca k večji“ je uporabna le za preprost primer. Splošnejši opis sledi kemijskemu potencialu topila in vključuje tudi tlak, temperaturo ter neidealnost raztopine.

Osmotski tlak uravnoteži gonilno silo

Osmotski tlak π je najmanjši dodatni tlak na strani raztopine, ki ustavi neto tok topila. Za dovolj razredčene raztopine velja π = iMRT, zveza, ki je po obliki podobna enačbi idealnega plina.

M je molarnost raztopljenih delcev, T absolutna temperatura, R plinska konstanta in i van ’t Hoffov faktor. Pri večjih koncentracijah je zveza približek; natančnejša termodinamika uporablja aktivnosti.

Elektroliti spremenijo število učinkovitih delcev

Saharoza ne disociira, zato je i v razredčeni raztopini blizu 1. Idealen NaCl bi dal dva iona in i ≈ 2, CaCl₂ tri ione in i ≈ 3. Resnične vrednosti so lahko manjše, ker ioni medsebojno delujejo.

Dve raztopini z enako molarnostjo spojine zato nimata nujno enakega osmotskega tlaka. Pomembno je število osmotsko aktivnih delcev, ne le količina kemijske formule.

Ravnotežje ne pomeni mirovanja molekul

Ko hidrostatski protitlak uravnoteži vpliv sestave, topilo še vedno prehaja skozi membrano v obe smeri, vendar je povprečni neto tok nič. To je dinamično ravnotežje.

Če zunanji tlak na koncentrirani strani preseže π, lahko neto tok obrnemo. Reverzna osmoza uporablja ta pogoj pri razsoljevanju in čiščenju vode; resnične membrane pa imajo upor in omejeno selektivnost.

Toničnost je lastnost sistema z določeno membrano

V biologiji izotonična raztopina ne pomeni preprosto enake celotne molarnosti. Pomembna je učinkovita osmolarnost snovi, ki skozi dano celično membrano ne prehajajo hitro. Prosto prehajajoča snov ne ohrani trajne tonične razlike.

Celica v hipertoničnem okolju neto izgublja vodo, v hipotoničnem pa jo pridobiva, če so zadevni delci za membrano praktično neprepustni. Zato je treba vedno navesti membrano in obravnavane komponente.

Meje idealnega modela

Enačba π = iMRT je najprimernejša za razredčene raztopine. Pri višjih koncentracijah postanejo pomembni koeficienti aktivnosti, ionske interakcije, asociacija in lastnosti membrane.

Termodinamika določa smer toka in pogoj ravnotežja, ne pa hitrosti. Hitrost prenosa je odvisna od prepustnosti, površine in debeline membrane ter od mešanja in koncentracijskih plasti ob njej.

Rešeni primeri

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

2. Idealen 0,10 mol/L NaCl

3. Reverzna osmoza