Kuinka laskea liuoksen osmoottinen paine

Osmoottinen paine , jota edustaa kreikkalainen kirjain pi ( π ), on liuosten kolligatiivinen ominaisuus, joka vastaa painetta, joka on kohdistettava liuokseen osmoosin pysäyttämiseksi . Jälkimmäinen koostuu liuottimen kulkemisesta puoliläpäisevän kalvon läpi laimeammasta liuoksesta (tai puhtaan liuottimen säiliöstä) väkevämpään liuokseen.

Koska osmoottinen paine on kolligatiivinen ominaisuus, eli se tulee liuoksen muodostavien hiukkasten yhteisvaikutuksesta, ei niiden luonteesta, osmoottinen paine voidaan laskea mainitun liuoksen koostumuksen tiedosta. Toisin sanoen, jos tiedämme, mistä ratkaisu on tehty ja missä määrin kaikkia komponentteja löytyy, voimme laskea osmoottisen paineen.

Seuraavassa osiossa esitetään kolme esimerkkiä osmoottisen paineen laskemisesta eri tilanteissa:

• Liuoksissa, joissa on molekyyliliuosta tai ei elektrolyyttiä.
• Elektrolyyttiliuoksissa.
• Liuoksissa, joissa on useita liuenneita aineita.

Kaikissa näissä tapauksissa osmoottisen paineen laskenta perustuu seuraavan yhtälön käyttöön:

missä π on osmoottinen paine, R on yleinen kaasuvakio, T on absoluuttinen lämpötila kelvineinä ja M on kaikkien liuoksessa olevien vapaiden liuenneiden hiukkasten molaarinen pitoisuus. Tämä viimeinen pitoisuus riippuu läsnä olevan liuenneen aineen tai liuenneiden aineiden tyypistä ja koostuu periaatteessa kaikkien osmoottisesti aktiivisten hiukkasten pitoisuuksien summasta, toisin sanoen niiden hiukkasten, jotka eivät voi läpäistä puoliläpäisevää kalvoa, pitoisuuksien summasta.

Neutraalien molekyylien liuenneiden aineiden tapauksessa, toisin sanoen sellaisten, jotka eivät ole elektrolyyttejä, M on yksinkertaisesti molaarisuus. Kuitenkin elektrolyyttien tapauksessa M edustaa dissosioitumisen kautta muodostuneiden ionien ja dissosioitumattomien molekyylien pitoisuuksien summaa.

Koska ionien ja dissosioitumattomien molekyylien konsentraatio riippuu dissosiaatioasteesta, ja tämä määräytyy dissosiaatiovakion ja liuenneen aineen alku- tai analyyttisen pitoisuuden perusteella, osmoottisesti aktiivisten hiukkasten kokonaispitoisuus voidaan liittää alkupitoisuus kertomalla kertoimella, joka tunnetaan nimellä van’t Hoff -tekijä, i,  joka saadaan kaavalla:

Tämä tekijä voidaan määrittää eri tavoin riippuen kyseessä olevan liuenneen aineen tyypistä:

• Vahville elektrolyyteille, jotka dissosioituvat täysin, van’t Hoff -tekijä on yhtä suuri kuin niiden ionien kokonaismäärä, jotka dissosioituvat, riippumatta niiden sähkövarauksista.
• Heikoille elektrolyyteille tämä kerroin voidaan määrittää dissosiaatiovakiosta, mutta se on myös taulukoitu eri liuenneille aineille eri lämpötiloissa, mikä on käytännöllisempää.
• Ei-elektrolyyttien tai molekyylien liuenneiden aineiden tapauksessa kerroin on yksinkertaisesti 1.

Kun elektrolyytin molaarisuus tai analyyttinen pitoisuus kerrotaan tällä kertoimella, saadaan liuoksessa olevien osmoottisesti aktiivisten hiukkasten todellinen pitoisuus, joten osmoottinen paine säilyy:

Osmoottisen paineen laskemisen vaiheet

Minkä tahansa liuoksen osmoottisen paineen laskeminen voidaan tiivistää seuraaviin vaiheisiin:

• Vaihe 1: Pura tiedot lausunnosta ja suorita tarvittavat yksikkömuunnokset.
• Vaihe 2: Määritä liuenneen aineen tai liuenneiden aineiden tyyppi ja kertoimen tai van’t Hoff -tekijän arvo.
• Vaihe 3: Laske liuenneiden aineiden alkuperäinen molaarisuus tai moolipitoisuus.
• Vaihe 4: Laske osmoottinen paine kaavalla.

Seuraavaksi näytetään, kuinka näitä vaiheita noudatetaan osmoottisen paineen laskemiseksi kolmessa yllä mainitussa tilanteessa.

Tapaus 1: Ei-elektrolyyttiliuoksen osmoottisen paineen laskenta

lausunto

Määritä osmoottinen paine 25,0 °C:ssa liuokselle, joka sisältää 30,0 g glukoosia (C ₆ H ₁₂ O ₆ ) liuotettuna niin paljon vettä, että saadaan 150,0 ml liuosta.

Vaihe 1: Pura tiedot lausunnosta ja suorita tarvittavat yksikkömuunnokset.

Tässä tapauksessa annetaan lämpötila, liuenneen aineen massa ja liuoksen tilavuus. Lämpötila on muutettava kelvineiksi ja tilavuus litroiksi (koska molaarisuus lasketaan).

Lisäksi, ellei meillä ole jo sen moolimäärää, tarvitsemme aina liuenneen aineen moolimassan:

Vaihe 2: Määritä liuenneen aineen tai liuenneiden aineiden tyyppi ja kertoimen tai van’t Hoff -tekijän arvo.

Glukoosi on neutraali molekyyliyhdiste, mikä tarkoittaa, että se on ei-elektrolyytti (ei dissosioitu liuoksessa). Tästä syystä sen van’t Hoff -tekijä on yhtä suuri kuin 1.

Vaihe 3: Laske liuenneiden aineiden alkuperäinen molaarisuus tai moolipitoisuus.

Koska meillä on liuenneen aineen massa, liuoksen tilavuus ja liuenneen aineen moolimassa, meidän tarvitsee vain soveltaa molaarisuuskaavaa:

Vaihe 4: Laske osmoottinen paine kaavalla.

Meillä on nyt kaikki, mitä tarvitsemme osmoottisen paineen laskemiseen. Riippuen yksiköistä, joissa haluamme laskea paineen, voimme käyttää erilaisia ​​ideaalikaasuvakion arvoja. Useimmissa kemian ja biologian laskelmissa tämä paine lasketaan ilmakehissä, joten näissä yksiköissä käytetään ideaalista kaasuvakiota eli 0,08206 atm.L/ mol.K:

Tapaus 2: Elektrolyyttiliuoksen osmoottisen paineen laskenta

lausunto

Määritä osmoottinen paine 37,0 °C:ssa liuokselle, joka sisältää 0,900 g natriumkloridia (NaCl) 100,0 ml:ssa liuosta.

Vaihe 1: Pura tiedot lauseesta ja suorita tarvittavat yksikkömuunnokset.

Tässä tapauksessa annetaan jälleen lämpötila, liuenneen aineen massa ja liuoksen tilavuus. Jälleen lämpötila on muutettava kelvineiksi ja tilavuus litroiksi ja liuenneen aineen moolimassa on laskettava:

Vaihe 2: Määritä liuenneen aineen tai liuenneiden aineiden tyyppi ja kertoimen tai van’t Hoff -tekijän arvo.

Natriumkloridi on vahva elektrolyytti, joka hajoaa täysin vesiliuoksessa. Dissosiaatioreaktio on:

Kuten voidaan nähdä, jokainen NaCl:n kaavayksikkö synnyttää kaksi ionia, natriumkationin ja choridianionin, eikä dissosioitumatonta NaCl-yksikköä jää jäljelle. Siksi tämän liuenneen aineen van’t Hoff -kertoimen tai -tekijän arvo on 2.

Vaihe 3: Laske liuenneiden aineiden alkuperäinen molaarisuus tai moolipitoisuus.

Kuten edellisessä tapauksessa, meillä on liuenneen aineen massa, liuoksen tilavuus ja liuenneen aineen moolimassa, joten molaarisuus saadaan seuraavasti:

Vaihe 4: Laske osmoottinen paine kaavalla.

Tämä vaihe suoritetaan samalla tavalla kuin aiemmin. Laskemme jälleen osmoottisen paineen ilmakehissä:

Tapaus 3: Useita liuenneita aineita sisältävän liuoksen osmoottisen paineen laskeminen

lausunto

Määritä seuraavan koostumuksen omaavan Ringerin laktaattiliuoksen osmoottinen paine keskimääräisessä ruumiinlämpötilassa 37 °C:

102,7 mM natriumkloridia

27,8 mM natriumlaktaattia (NaC ₃ H ₅ O ₃ )

5,4 mM kaliumkloridia

1,8 mM kalsiumklorididihydraattia.

Tämä on tärkeä esimerkki osmoottisen paineen laskemisesta, koska seerumit, kuten edellä mainittu Ringerin laktaattiliuos, on valmistettava tietyllä osmoottisella paineella. Joillakin on sama osmoottinen paine kuin veriseerumilla, kun taas toisilla on suurempi tai matalampi osmoottinen paine potilaan tilasta riippuen.

Vaihe 1: Pura tiedot lauseesta ja suorita tarvittavat yksikkömuunnokset.

Tässä tapauksessa meillä on ratkaisu, jossa on neljä erilaista liukenevaa ainetta. Liuenneiden aineiden pitoisuudet annetaan suoraan, mutta mM yksiköissä (milimolaarinen), joten ne on muutettava molaariseksi. Saatavilla on myös lämpötila, joka on muutettava kelvineiksi. Ensimmäinen muunnos suoritetaan jakamalla 1000:lla.

Vaihe 2: Määritä liuenneen aineen tai liuenneiden aineiden tyyppi ja kertoimen tai van’t Hoff -tekijän arvo.

Natriumkloridi, natriumlaktaatti ja kaliumkloridi ovat vahvoja elektrolyyttejä, jotka dissosioituvat muodostaen kumpikin 2 ionia, joten niiden van’t Hoff -kertoimet ovat 2.

Kalsiumkloridin tapauksessa dissosiaatioreaktio on:

Jos se dissosioituu kokonaan, muodostuisi yhteensä 3 ionia, jolloin van’t Hoff -tekijä on 3. Kokeellisesti on kuitenkin määritetty, että tämä liuennut aine ei dissosioidu täysin ja että sen kerroin on hieman alle 2, 7.

Vaihe 3: Laske liuenneiden aineiden alkuperäinen molaarisuus tai moolipitoisuus.

Tämä vaihe ei ole tarpeellinen tämän ongelman ratkaisemiseksi, koska lausunto sisälsi kaikki tarvittavat pitoisuudet.

Vaihe 4: Laske osmoottinen paine kaavalla.

Kun liuenneita aineita on useita, osmoottinen kokonaispaine yksinkertaisesti vastaa niiden kunkin osuuden summaa. Tämä voidaan tiivistää seuraavasti:

jossa summa on yli kaikkien läsnä olevien liuenneiden aineiden, olipa se sitten elektrolyytti tai ei-elektrolyytti. Tämän summauksen tulos on liuoksen osmolaarisuus, eli kaikkien osmoottisesti aktiivisten hiukkasten kokonaispitoisuus.

Koska meillä on jo kaikki tarvittavat tiedot, kaikki riippuu tämän kaavan soveltamisesta osmoottisen paineen laskemiseen:

Viitteet

Brown, T. (2021). Chemistry: The Central Science (11. painos). Lontoo, Englanti: Pearson Education.

Castro, S. (2019, 22. helmikuuta). Osmoottinen paine Kaava ja ratkaistut harjoitukset. Haettu osoitteesta https://www.profesor10demates.com/2018/12/presion-osmotica-formula-y-ejercicios-resueltos.html

Chang, R., Manzo, Á. R., Lopez, PS ja Herranz, ZR (2020). Kemia (10. painos). New York City, NY: MCGRAW-HILL.

Murcian alueen terveyskoulutuksen ja tutkimuksen säätiö. (nd). 2.-Osmoosin ja osmoottisen paineen perusperiaatteet. Plasman osmolaalisuuden (OSMP) laskeminen. Haettu osoitteesta http://www.ffis.es/volviendoalobasico/2principios_bsicos_de_la_smosis_y_la_presin_onctica_clculo_de_la_osmolalidad_plasmtica_osmp.html

Nuori. (nd). Elektrolyytit: van’t Hoff Factor | Protokolla (käännetty espanjaksi). Haettu osoitteesta https://www.jove.com/science-education/11371/electrolitos-factor-de-van-t-hoff?language=Spanish

Tabazz, U. (2012, 20. syyskuuta). Sähkökemia. Haettu osoitteesta https://www.slideshare.net/utabazz/electroquimica-14366482