Как да изчислим осмотичното налягане на разтвор

Осмотичното налягане , представено с гръцката буква pi ( π ), е колигативно свойство на разтворите, което съответства на налягането, което трябва да се приложи към разтвора, за да спре осмозата . Последният се състои от преминаването на разтворителя през полупропусклива мембрана от по-разреден разтвор (или от резервоар с чист разтворител) към по-концентриран.

Тъй като е колигативно свойство, т.е. идва от колективния ефект на частиците, които изграждат разтвора, а не от тяхната природа, осмотичното налягане може да се изчисли от познаването на състава на споменатия разтвор. С други думи, ако знаем от какво е направен разтворът и в какви количества се намират всички компоненти, тогава можем да изчислим осмотичното налягане.

В следващия раздел са представени три примера за изчисляване на осмотичното налягане в различни ситуации:

• В разтвори с молекулно разтворено вещество или без електролит.
• В електролитни разтвори.
• В разтвори с няколко разтворени вещества.

Във всеки от тези случаи изчисляването на осмотичното налягане се основава на използването на следното уравнение:

където π е осмотичното налягане, R е универсалната газова константа, T е абсолютната температура в Келвин и M е моларната концентрация на всички свободни частици разтворено вещество, присъстващи в разтвора. Тази последна концентрация зависи от вида на разтвореното вещество или разтворените вещества, които присъстват, и основно се състои от сумата от концентрациите на всички осмотично активни частици, тоест тези, които не могат да преминат през полупропусклива мембрана.

В случай на неутрални молекулни разтворени вещества, тоест тези, които не са електролити, М е просто моларността. Въпреки това, в случая на електролити, М представлява сумата от концентрациите на йоните, които се образуват чрез дисоциация, и на молекулите, които остават недисоциирани.

Тъй като концентрацията на йоните и на недисоциираните молекули зависи от степента на дисоциация и това се определя от константата на дисоциация и от първоначалната или аналитична концентрация на разтвореното вещество, тогава общата концентрация на осмотично активните частици може да бъде свързана с първоначална концентрация чрез умножаване по коефициент, известен като фактор на Ван’т Хоф, i,  който се дава от:

Този фактор може да се определи по различни начини в зависимост от вида на въпросното разтворено вещество:

• За силните електролити, тези, които се дисоциират напълно, коефициентът на van’t Hoff е равен на общия брой йони, които се дисоциират, независимо от техните електрически заряди.
• За слабите електролити този коефициент може да се определи от константата на дисоциация, но също така е представен в таблица за различни разтворени вещества при различни температури, което е по-практично.
• В случай на неелектролитни разтворени вещества или молекулни разтворени вещества, факторът е просто 1.

Умножаването на моларността или аналитичната концентрация на електролита по този фактор води до действителната концентрация на осмотично активни частици, присъстващи в разтвора, така че осмотичното налягане остава:

Стъпки за изчисляване на осмотичното налягане

Изчисляването на осмотичното налягане на всеки разтвор може да се обобщи в следните стъпки:

• Стъпка 1: Извлечете данните от отчета и извършете необходимите трансформации на единици.
• Стъпка 2: Определете вида на разтвореното вещество или разтворените вещества и стойността на коефициента или фактора на Ван Хоф.
• Стъпка 3: Изчислете началната моларност или моларна концентрация на разтвореното(ите) вещество(а).
• Стъпка 4: Използвайте формулата за изчисляване на осмотичното налягане.

След това е показано как да следвате тези стъпки, за да изчислите осмотичното налягане в трите ситуации, споменати по-горе.

Случай 1: Изчисляване на осмотичното налягане на неелектролитен разтвор

изявление

Определете осмотичното налягане при 25,0 °C на разтвор, съдържащ 30,0 g глюкоза (C ₆ H ₁₂ O ₆ ), разтворена в достатъчно вода, за да се получат 150,0 mL разтвор.

Стъпка #1: Извлечете данните от отчета и извършете необходимите единици трансформации.

В този случай са дадени температурата, масата на разтвореното вещество и обемът на разтвора. Температурата трябва да се трансформира в Келвин, а обемът в литри (тъй като моларността ще бъде изчислена).

Освен това, освен ако вече не разполагаме с неговия брой молове, винаги се нуждаем от моларната маса на разтвореното вещество:

Стъпка 2: Определете вида на разтвореното вещество или разтворените вещества и стойността на коефициента или фактора на Ван Хоф.

Глюкозата е неутрално молекулно съединение, което означава, че не е електролит (не се дисоциира в разтвор). Поради тази причина неговият фактор на Ван’т Хоф е равен на 1.

Стъпка 3: Изчислете началната моларност или моларна концентрация на разтвореното(ите) вещество(а).

Тъй като имаме масата на разтвореното вещество, обемът на разтвора и моларната маса на разтвореното вещество, трябва само да приложим формулата за моларност:

Стъпка #4: Използвайте формулата за изчисляване на осмотичното налягане.

Сега имаме всичко необходимо за изчисляване на осмотичното налягане. В зависимост от единиците, в които искаме да изчислим налягането, можем да използваме различни стойности на идеалната газова константа. За целите на повечето изчисления, извършвани в химията и биологията, това налягане се изчислява в атмосфери, така че идеалната газова константа се използва в тези единици, т.е. 0,08206 atm.L/ mol.K:

Случай 2: Изчисляване на осмотичното налягане на електролитен разтвор

изявление

Определете осмотичното налягане при 37,0 °C на разтвор, който съдържа 0,900 g натриев хлорид (NaCl) на 100,0 mL разтвор.

Стъпка 1: Извлечете данните от отчета и извършете необходимите трансформации на единици.

В този случай отново се дават температурата, масата на разтвореното вещество и обемът на разтвора. Отново, температурата трябва да се трансформира в Келвин и обемът в литри и моларната маса на разтвореното вещество трябва да се изчисли:

Стъпка 2: Определете вида на разтвореното вещество или разтворените вещества и стойността на коефициента или фактора на Ван Хоф.

Натриевият хлорид е силен електролит, който напълно се дисоциира във воден разтвор. Реакцията на дисоциация е:

Както може да се види, всяка формулна единица на NaCl поражда два йона, натриев катион и хориден анион, и не остава недисоциирана единица NaCl. Следователно за това разтворено вещество коефициентът или факторът на Van’t Hoff има стойност 2.

Стъпка #3: Изчислете началната моларност или моларната концентрация на разтвореното(ите) вещество(а).

Както в предишния случай, имаме масата на разтвореното вещество, обемът на разтвора и моларната маса на разтвореното вещество, така че моларността се дава от:

Стъпка #4: Използвайте формулата за изчисляване на осмотичното налягане.

Тази стъпка се извършва по същия начин, както преди. Отново ще изчислим осмотичното налягане в атмосфери:

Случай 3: Изчисляване на осмотичното налягане на разтвор с няколко разтворени вещества

изявление

Определете осмотичното налягане при средна телесна температура от 37°C на лактатен разтвор на Рингер със следния състав:

102.7 mM натриев хлорид

_27,8 mM натриев лактат ( _{NaC3H5O3 )}

5.4 mM калиев хлорид

1.8 тМ калциев хлорид дихидрат.

Това е важен пример за изчисляване на осмотичното налягане, тъй като серуми като лактатния разтвор на Рингер, цитиран по-горе, трябва да се приготвят със специфично осмотично налягане. Някои са настроени да имат същото осмотично налягане като кръвния серум, докато други са настроени да имат по-високо или по-ниско осмотично налягане, в зависимост от състоянието на пациента.

Стъпка 1: Извлечете данните от отчета и извършете необходимите трансформации на единици.

В този случай имаме решение с четири различни разтворени вещества. Концентрациите на разтворените вещества се предоставят директно, но в единици mM (милимоларни), така че те трябва да бъдат трансформирани в моларност. Посочена е и температурата, която трябва да се трансформира в Келвин. Първата трансформация се извършва чрез разделяне на 1000.

Стъпка 2: Определете вида на разтвореното вещество или разтворените вещества и стойността на коефициента или фактора на Ван Хоф.

Натриевият хлорид, натриевият лактат и калиевият хлорид са силни електролити, които се дисоциират, за да образуват по 2 йона, така че техните коефициенти на Ван Хоф са равни на 2.

В случай на калциев хлорид, реакцията на дисоциация е:

Ако се дисоциира напълно, ще бъдат произведени общо 3 йона, което дава фактор на Ван Хоф от 3. Експериментално обаче е установено, че това разтворено вещество не се дисоциира напълно и че има малко по-малък фактор от 2, 7 .

Стъпка 3: Изчислете началната моларност или моларна концентрация на разтвореното(ите) вещество(а).

Тази стъпка не е необходима за този проблем, тъй като изявлението предоставя всички необходими концентрации.

Стъпка 4: Използвайте формулата за изчисляване на осмотичното налягане.

Когато има няколко разтворени вещества, общото осмотично налягане просто съответства на сбора от приносите на всяко от тях. Това може да се обобщи по следния начин:

където сумата е за всички присъстващи разтворени вещества, независимо дали са електролит или неелектролит. Резултатът от това сумиране е това, което е известно като осмоларност на разтвора, тоест общата концентрация на всички осмотично активни частици.

Тъй като вече имаме всички необходими данни, всичко е въпрос на прилагане на тази формула за изчисляване на осмотичното налягане:

Препратки

Браун, Т. (2021). Химия: Централната наука (11-то издание). Лондон, Англия: Pearson Education.

Кастро, С. (2019 г., 22 февруари). Формула за осмотично налягане и решени упражнения. Извлечено от https://www.profesor10demates.com/2018/12/presion-osmotica-formula-y-ejercicios-resueltos.html

Чанг, Р., Манзо, А. R., Lopez, PS, & Herranz, ZR (2020). Химия (10-то издание). Ню Йорк, Ню Йорк: MCGRAW-HILL.

Фондация за здравно обучение и изследвания на регион Мурсия. (nd). 2.-Основни принципи на осмозата и осмотичното налягане. Изчисляване на плазмен осмоларитет (OSMP). Извлечено от http://www.ffis.es/volviendoalobasico/2principios_bsicos_de_la_smosis_y_la_presin_onctica_clculo_de_la_osmolalidad_plasmtica_osmp.html

Млад. (nd). Електролити: фактор на Ван Хоф | Протокол (преведен на испански). Извлечено от https://www.jove.com/science-education/11371/electrolitos-factor-de-van-t-hoff?language=Spanish

Табаз, У. (2012 г., 20 септември). Електрохимия. Извлечено от https://www.slideshare.net/utabazz/electroquimica-14366482