Osmotický tlak

Aktuální verze stránky ještě nebyla zkontrolována zkušenými přispěvateli a může se výrazně lišit od verze recenzované 29. srpna 2022; kontroly vyžadují 2 úpravy .

Osmotický tlak (označený π ) - přebytek hydrostatického tlaku na roztok (například kyslík a erytrocyty v krvi), oddělený od čistého rozpouštědla polopropustnou membránou , při které se difúze rozpouštědla přes membránu zastaví ( osmóza ). Tento tlak má tendenci vyrovnat koncentrace obou roztoků v důsledku opačné difúze molekul solutu a rozpouštědla.

Míra gradientu osmotického tlaku, tj. rozdílu ve vodním potenciálu dvou roztoků oddělených semipermeabilní membránou, se nazývá tonicita . Roztok, který má vyšší osmotický tlak ve srovnání s jiným roztokem, se nazývá hypertonický a roztok, který má nižší osmotický tlak, se nazývá hypotonický .

Pokud je takový roztok v uzavřeném prostoru, například v krevní buňce , pak osmotický tlak může vést k prasknutí buněčné membrány. Z tohoto důvodu se léky určené k intravenóznímu podání rozpouštějí v izotonickém roztoku obsahujícím tolik chloridu sodného (kuchyňské soli), kolik je nutné k vyrovnání osmotického tlaku vytvářeného buněčnou tekutinou. Pokud by byly injikované léky vyrobeny ve vodě nebo velmi zředěném ( vzhledem k cytoplazmě hypotonickém ) roztoku, osmotický tlak nutící vodu pronikat do krvinek by vedl k jejich prasknutí. Pokud se do krve dostane příliš koncentrovaný roztok chloridu sodného (3-10%, hypertonické roztoky), pak z buněk vyteče voda a ty se scvrknou. V případě rostlinných buněk dochází k oddělení protoplastu od buněčné stěny , což se nazývá plazmolýza . Opačným procesem, ke kterému dochází, když jsou zmenšující se buňky umístěny do zředěnějšího roztoku, je deplazmolýza .

Van't Hoffova rovnice

Velikost osmotického tlaku vytvořeného roztokem závisí na množství, nikoli na chemické povaze látek v něm rozpuštěných (nebo iontů , pokud molekuly látky disociují), proto je osmotický tlak koligativní vlastností roztoku. řešení . Čím větší je koncentrace látky v roztoku , tím větší osmotický tlak vytváří. Toto pravidlo, nazývané zákon osmotického tlaku, je vyjádřeno jednoduchým vzorcem, velmi podobným stavové rovnici pro ideální plyn :

\pi =i\cdot C\cdot R\cdot T

kde i je izotonický koeficient roztoku; C je molární koncentrace roztoku, vyjádřená kombinací základních jednotek SI , tj. v mol/m³; R je univerzální plynová konstanta ; T je termodynamická teplota roztoku.

To také ukazuje na podobnost vlastností částic rozpuštěné látky ve viskózním prostředí rozpouštědla s částicemi ideálního plynu ve vzduchu . Platnost tohoto hlediska je potvrzena experimenty J. B. Perrina ( 1906 ): distribuce částic emulze klovatiny ve vodním sloupci se obecně řídila Boltzmannovým zákonem .

Osmotický tlak, který závisí na obsahu bílkovin v roztoku, se nazývá onkotický (0,03-0,04 atm). Při dlouhodobém hladovění, onemocnění ledvin se snižuje koncentrace bílkovin v krvi, snižuje se onkotický tlak v krvi a dochází k onkotickému edému : voda přechází z cév do tkání, kde je π ONC větší. Při purulentních procesech se π ONC v ohnisku zánětu zvyšuje 2-3krát, protože počet částic se zvyšuje v důsledku destrukce proteinů .

V těle by měl být osmotický tlak konstantní (asi 7,7 atm). K intravenóznímu podání se proto obvykle používají izotonické roztoky (roztoky, jejichž osmotický tlak je π plazma ≈ 7,7 atm. (0,9% NaCl - fyziologický roztok, 5% roztok glukózy ). Hypertonické roztoky, ve kterých je π větší než plazma π , se používají v lékařství k čištění ran od hnisu (10 % NaCl ), k odstranění alergických otoků (10 % CaCl 2 , 20 % glukózy ), jako laxativa ( Na 2 SO 4 ∙10H 2 O , MgSO 4 ∙7H 2 O ).

Zákon osmotického tlaku lze použít k výpočtu molekulové hmotnosti dané látky (se známými dalšími údaji).

Hallerova rovnice

Experimentálně stanovená hodnota osmotického tlaku makromolekulárních sloučenin je větší než teoretická, určená van't Hoffovým vzorcem . Tento jev je vysvětlen relativní nezávislostí tepelného pohybu každé části makromolekuly a je popsán Hallerovou rovnicí: [1] $\pi =crt$

$\pi ={\frac {RT}{M}}c+\beta c^{2}$

Zde: je koncentrace roztoku makromolekulární sloučeniny (g/l), je molární hmotnost (g/mol), je koeficient, který zohledňuje flexibilitu a vzorec makromolekuly v roztoku, R je univerzální plyn konstanta , T je termodynamická teplota roztoku. $C$ $M$ $\beta$

Při nízkých koncentracích se Hallerův vzorec mění na van't Hoffův vzorec. $C$

Zdůvodnění van't Hoffova vzorce z termodynamických pozic

V roztoku je volná energie , kde je molární část roztoku, je jeho molární objem. Vzhled termínu je ekvivalentní zavedení vnějšího tlaku do volné energie. pro čisté rozpouštědlo . V rovnováze pro rozpouštědlo je nula. Takto, $G=G^{0}+RT\ln x_{A}+\pi V_{C}$ $x_{A}$ $V_{C}$ $\pi V_{C}$ $G=G^{0}$ $\nabla G$

0=\nabla G=G^{0}+RT\ln x_{A}+\pi V_{C}-G^{0}=RT\ln x_{A}+\pi V_{C} ,

kde:

\pi =-{\frac {RT}{V_{C}}}\ln(1-x_{B})\cong {\frac {RT}{V_{C}}}x_{B}\ cong {\frac {RT}{V_{C}}}{\frac {n_{B}}{n_{A}}}\cong RT{\frac {n_{B}}{V}}=cRT,

to znamená, že se získá van't Hoffův vzorec ( ). $\pi =crt$

Při odvozování se počítalo, že jde o malou hodnotu. To umožňuje expandovat do série a následně aplikovat poměr Produkt ve zředěných roztocích se téměř rovná objemu roztoku. $x_B$ $\ln(1-x_{B})$ $x_{B}\cong {\frac {n_{B}}{n_{A}}}.$ ${\displaystyle n_{A}V_{C))$

Osmotický tlak koloidních roztoků

Aby došlo k osmotickému tlaku, musí být splněny dvě podmínky:

přítomnost polopropustné přepážky (membrány);
přítomnost roztoků s různými koncentracemi na obou stranách membrány.

Membrána je propustná pro částice (molekuly) určité velikosti, takže může např. selektivně propouštět molekuly vody svými póry, aniž by procházela molekulami etanolu. U plynné směsi vodíku a dusíku může roli polopropustné membrány plnit tenká palladiová fólie, kterou volně difunduje vodík, zatímco dusík prakticky nepropouští. pomocí takové membrány je možné rozdělit směs vodíku a dusíku na samostatné složky.

Jednoduchými a dobře známými příklady membrán, které jsou propustné pro vodu a nepropustné pro mnoho dalších látek rozpuštěných ve vodě, jsou kůže, pergamen a další tkáně živočišného a rostlinného původu.

Pfeffer pomocí osmometru , ve kterém byl jako semipermeabilní membrána použit porézní porcelán upravený Cu2Fe (CN) 6 , zkoumal osmotický tlak vodných roztoků třtinového cukru. Na základě těchto měření navrhl van't Hoff v roce 1885 empirickou rovnici, která řídí osmotický tlak zředěných roztoků: $\pi$

\pi =crt

kde c=n/V je koncentrace rozpuštěné látky, mol/m 3 .

Tato rovnice se ve formě shoduje s Boyle-Mariottovým zákonem pro ideální plyny. Osmotický tlak zředěných roztoků lze proto definovat jako tlak, který by vytvořil stejný počet molekul rozpuštěné látky, pokud by byla ve formě ideálního plynu a zabírala při dané teplotě objem rovný objemu roztoku. .

Van't Hoffova rovnice může být poněkud transformována nahrazením místo koncentrace : $c_{i}=n_{i}/V=m_{i}/M_{i}V$

\pi =c_{i}RT={\frac {m_{i}}{M_{i}V}}RT

kde je hmotnostní koncentrace rozpuštěné látky; je jeho molekulová hmotnost. $m_i$ $M_{i}$

V této formě je van't Hoffova rovnice široce používána k určení molární hmotnosti rozpuštěné látky. Osmotická metoda se často používá ke stanovení molárních hmotností makromolekulárních sloučenin (proteinů, polysacharidů a dalších). K tomu stačí změřit osmotický tlak roztoku o známé koncentraci.

Pokud látka v tomto roztoku disociuje, pak bude osmotický tlak větší než vypočítaný a je třeba zadat izotonický koeficient:

$\pi =icRT.$

Van't Hoffova rovnice platí pouze pro zředěné roztoky, které se řídí Raoultovým zákonem. Při zvýšených koncentracích roztoků v poslední rovnici by měla být nahrazena aktivitou nebo fugacitou $c_{i}$ $a_{1}$ $f_{1}.$

Role osmózy v biologických systémech

Fenomén osmózy a osmotického tlaku hrají obrovskou roli v biologických systémech, které obsahují polopropustné přepážky ve formě různých tkání, včetně buněčných membrán. Neustálá osmóza vody do buněk vytváří nadměrný hydrostatický tlak, který dodává tkáním pevnost a pružnost, což se nazývá turgor .

Pokud je buňka, například červená krvinka, umístěna do destilované vody (nebo velmi zředěného solného roztoku), pak voda pronikne do buňky a buňka nabobtná. Proces otoku může vést k prasknutí membrány erytrocytů, pokud dojde k tzv. hemolýze.

Opačný jev je pozorován, pokud je buňka umístěna v koncentrovaném solném roztoku: voda z buněk difunduje přes membránu do solného roztoku. Protoplazma shodí svůj obal, buňka se zmenšuje, ztrácí turgor a pevnost, které jsou pro ni v normálním stavu charakteristické. Tento jev se nazývá plazmolýza. Když jsou plazmolyzované buňky umístěny do vody, protoplazma znovu nabobtná a v buňce se obnoví turgor. V tomto případě dochází k tzv. deplazmolýze: to lze pozorovat umístěním květin, které začnou vadnout, do vody. A pouze v izotonickém roztoku, který má stejnou koncentraci (nebo spíše osmotický tlak stejný jako obsah buňky), zůstává objem buňky nezměněn.

Procesy asimilace potravy, metabolismus úzce souvisí s rozdílnou propustností tkání pro vodu a další látky v ní rozpuštěné.

Osmotický tlak hraje roli mechanismu, který zásobuje buňky živinami; ve vysokých stromech vystupují do výšky několika desítek metrů, což odpovídá osmotickému tlaku několika atmosfér. Typické buňky vytvořené z protoplazmatických váčků naplněných vodnými roztoky různých látek (buněčná míza) mají určitou hodnotu pro tlak, jehož hodnota se měří v rozmezí 0,4-2 MPa.

Viz také

Poznámky

↑ Yershov Yu. A., Popkov V. A., Berlyand A. S. Obecná chemie. Biofyzikální chemie. Chemie biogenních prvků. - M. , Vyšší škola , 1993. - ISBN 5-06-002170-X . - S. 540-541

Literatura

Detlaf A. A., Yavorsky B. M. Fyzikální kurz: učebnice pro střední školy - M .: Higher School, 1989. - S. 113.
Yatsimirsky V. K. Fyzikální chemie. (v ukrajinštině)