Ώσμωση και Ωσμωτική Πίεση — Δρ. Γιώργος Μαλής

Πείραμα 01

Δύο διαλύματα – μία ημιπερατή μεμβράνη

Επίλεξε τη συγκέντρωση και το είδος της διαλυμένης ουσίας σε κάθε πλευρά. Η ιδανική ημιπερατή μεμβράνη επιτρέπει τη διέλευση του νερού, αλλά όχι των διαλυμένων σωματιδίων.

Αριστερό διάλυμα Α 0,10 M

0 M0,60 M

Διαλυμένη ουσία Α

Δεξί διάλυμα Β 0,30 M

0 M0,60 M

Διαλυμένη ουσία Β

Θερμοκρασία 27 °C

Τι πρέπει να παρατηρήσεις;

Σε ένα πραγματικό σύστημα, η διαφορά υδροστατικής πίεσης που αναπτύσσεται λόγω της διαφοράς στάθμης μπορεί να αντισταθμίσει την ωσμωτική τάση. Στη δυναμική ισορροπία, μόρια νερού εξακολουθούν να διέρχονται και προς τις δύο κατευθύνσεις, χωρίς καθαρή μεταφορά νερού.

Ημιπερατή μεμβράνη

ΝερόΔιαλυμένα σωματίδιαΜεμβράνη

Τα πορτοκαλί σωματίδια της διαλυμένης ουσίας δεν διαπερνούν τη μεμβράνη. Οι στάθμες των υγρών μεταβάλλονται σχηματικά με τον χρόνο.

Σχηματική απεικόνιση – όχι σε πραγματική μοριακή κλίμακαΧρόνος: 0,0 s

2,46

Π_Α αρχική (atm)

7,38

Π_Β αρχική (atm)

Α → Β

Αρχική καθαρή ροή H₂O

Π = i · c · R · T i: συντελεστής van’t Hoff (ιδανικός αριθμός διαλυμένων σωματιδίων ανά τυπική μονάδα) · R = 0,082 L·atm·mol⁻¹·K⁻¹ · T σε K

Ενδεικτικοί όγκοι: Α 1,00 L · Β 1,00 LΚαθαρή ροή: Α → Β

Ερμηνεία βήμα προς βήμα

1Η μεμβράνη είναι διαπερατή στον διαλύτη (H₂O) και αδιαπέραστη στη διαλυμένη ουσία.

2Πριν αναπτυχθεί διαφορά υδροστατικής πίεσης, η αρχική καθαρή ροή του νερού είναι από το διάλυμα με μικρότερη προς το διάλυμα με μεγαλύτερη ωσμωτική πίεση.

3Η διαφορά στάθμης δημιουργεί διαφορά υδροστατικής πίεσης που αντιτίθεται στην αρχική καθαρή ροή.

Πείραμα 02

Νόμος van’t Hoff

Ρύθμισε τη μοριακή συγκέντρωση, τη θερμοκρασία και το είδος της διαλυμένης ουσίας. Παρατήρησε πώς επηρεάζεται η ωσμωτική πίεση.

Μοριακή συγκέντρωση c 0,10 MΘερμοκρασία θ 27 °C

Είδος ουσίας

Σημαντική προϋπόθεση

Η σχέση Π = cRT εφαρμόζεται, στο σχολικό μοντέλο, σε αραιά διαλύματα μη ηλεκτρολυτών. Για διαλύματα ηλεκτρολυτών χρησιμοποιούμε προσεγγιστικά τη σχέση Π = i·cRT, όπου ο συντελεστής van’t Hoff i λαμβάνει εδώ τις ιδανικές τιμές 1, 2 ή 3, ανάλογα με την ουσία.

Υπολογισμός ωσμωτικής πίεσης

Π = 0,10 · 0,082 · 300 = 2,46 atm

2,46

Π (atm)

0,10

i·c (osmol/L), ιδανικό

300

Θερμοκρασία T (K)

Π ∝ c·T, για σταθερό i (ιδανική προσέγγιση αραιού διαλύματος)Οι διακεκομμένες γραμμές επισημαίνουν την επιλεγμένη τιμή

Δοκίμασε:

Αύξησε τη συγκέντρωση από 0,10 M σε 0,20 M με σταθερή θερμοκρασία. Πώς μεταβάλλεται η Π; Στη συνέχεια, διατήρησε σταθερή τη συγκέντρωση και άλλαξε τη διαλυμένη ουσία από γλυκόζη σε NaCl.

Υπολογισμοί 01

Αραίωση διαλύματος

Κατά την αραίωση διατηρείται η ποσότητα (mol) της διαλυμένης ουσίας. Θεωρούμε σταθερή θερμοκρασία και ότι ο τελικός όγκος ισούται με το άθροισμα των όγκων.

Αρχική συγκέντρωση (M)

Αρχικός όγκος (mL)

Προσθήκη νερού (mL)

Θερμοκρασία (°C)

c₁V₁ = c₂V₂

0,10

Τελική συγκέντρωση (M)

4,92

Αρχική Π (atm)

2,46

Τελική Π (atm)

Υπολογισμοί 02

Ανάμειξη διαλυμάτων

Αναμειγνύονται δύο διαλύματα σε θερμοκρασία 27 °C. Θεωρούμε ότι οι διαλυμένες ουσίες δεν αντιδρούν μεταξύ τους και ότι οι όγκοι προστίθενται.

Συγκέντρωση Α (M)

Όγκος Α (mL)

Συγκέντρωση Β (M)

Όγκος Β (mL)

Είδος διαλυμένης ουσίας Α

Είδος διαλυμένης ουσίας Β

Π_τελ. = [(i₁c₁V₁ + i₂c₂V₂)/(V₁ + V₂)]·R·T

0,20

Τελική ωσμωτική συγκέντρωση (osmol/L)

4,92

Τελική Π (atm)

1.000

Τελικός όγκος (mL)

Υπολογισμοί 03

Ωσμωμετρία — προσδιορισμός Mᵣ

Για αραιό διάλυμα μη ηλεκτρολύτη υπολογίζουμε τη μοριακή μάζα M (g/mol) από τη μάζα m, τον όγκο V και την ωσμωτική πίεση Π. Η σχετική μοριακή μάζα Mᵣ έχει την ίδια αριθμητική τιμή, αλλά δεν έχει μονάδα.

Μάζα ουσίας (g)

Όγκος διαλύματος (mL)

Ωσμωτική πίεση (atm)

Θερμοκρασία (°C)

M = m·R·T/(Π·V) (g/mol)

Υπολογισμοί 04

Ισοτονία

Για δύο αραιά διαλύματα στην ίδια θερμοκρασία ισχύει: Π₁ = Π₂ ⇔ i₁c₁ = i₂c₂ (ιδανική προσέγγιση).

Συγκέντρωση αναφοράς (M)

Είδος διαλυμένης ουσίας αναφοράς

Είδος διαλυμένης ουσίας του ζητούμενου διαλύματος

i₁·c₁ = i₂·c₂

Πείραμα 03

Ώσμωση και κύτταρα

Παρατήρησε σχηματικά πώς αντιδρά ένα ερυθρό αιμοσφαίριο όταν μεταβάλλεται η τονικότητα του εξωτερικού διαλύματος.

Ωσμωτική συγκέντρωση εξωτερικού διαλύματος 0,30 osmol/L

0,050,60

Ενδοκυττάρια ωσμωτική συγκέντρωση αναφοράς: 0,30 osmol/LΣχηματικό μοντέλο με διαλυμένα σωματίδια μη διαπερατά από τη μεμβράνη, στην ίδια θερμοκρασία

Πώς αναγνωρίζω τον τύπο διαλύματος;

Οι όροι «υπέρτονο» και «υπότονο» είναι συγκριτικοί και περιγράφουν το εξωτερικό διάλυμα ως προς το κύτταρο. Η τονικότητα καθορίζεται κυρίως από τα διαλυμένα σωματίδια που δεν μπορούν να διαπεράσουν τη συγκεκριμένη κυτταρική μεμβράνη.

Σχηματική απεικόνιση ερυθρού αιμοσφαιρίου

Ισοτονικό

Περιβάλλον

↔

Καθαρή μεταφορά νερού

Σταθερό

Μεταβολή σχήματος/όγκου

Χρήσιμη σύνδεση με τη βιολογία

Σε πολύ υπότονο περιβάλλον, ένα ερυθρό αιμοσφαίριο μπορεί να διογκωθεί και τελικά να υποστεί αιμόλυση. Σε υπέρτονο περιβάλλον, χάνει νερό και συρρικνώνεται. Το σχήμα είναι ποιοτικό και δεν υποκαθιστά τη μελέτη πραγματικών κυττάρων.

Αξιολόγηση

Σύντομο κουίζ — Ώσμωση

7 ερωτήσεις πολλαπλής επιλογής με άμεση βαθμολόγηση και αιτιολόγηση της σωστής απάντησης.

Σύνοψη για τις Πανελλαδικές

1Ώσμωση: καθαρή μεταφορά διαλύτη μέσω ημιπερατής μεμβράνης από την πλευρά με μικρότερη Π προς εκείνη με μεγαλύτερη Π, πριν αναπτυχθεί αντισταθμιστική υδροστατική πίεση.

2Ωσμωτική πίεση: η εξωτερική πίεση που πρέπει να ασκηθεί στο διάλυμα ώστε να εμποδιστεί η καθαρή ροή διαλύτη μέσω ημιπερατής μεμβράνης, σε δεδομένη θερμοκρασία.

3Νόμος van’t Hoff για αραιό μοριακό διάλυμα: Π = cRT = (n/V)RT.

4Ιδανική πλήρης διάσταση ηλεκτρολύτη: Π ≈ i·c·R·T. Καθοριστικός είναι ο συνολικός αριθμός διαλυμένων σωματιδίων.

5Σε ίδια θερμοκρασία, δύο ιδανικά διαλύματα είναι ισοτονικά όταν έχουν ίσες ωσμωτικές πιέσεις, όχι απαραίτητα ίσες μοριακές συγκεντρώσεις.

Προσοχή στις μονάδες: T/K ≈ 273 + θ/°C, V σε L, c σε mol/L, Π σε atm και R = 0,082 L·atm·mol⁻¹·K⁻¹. Η ιδανική προσέγγιση των ηλεκτρολυτών δεν αποδίδει ακριβώς τα πραγματικά διαλύματα.