Hogyan számítsuk ki az oldat ozmotikus nyomását

Az ozmotikus nyomás , amelyet a görög pi ( π ) betű jelöl, az oldatok kolligatív tulajdonsága, amely megfelel annak a nyomásnak, amelyet az ozmózis megállításához az oldatra kell kifejteni . Ez utóbbi abból áll, hogy az oldószert egy félig áteresztő membránon keresztül egy hígabb oldatból (vagy egy tiszta oldószer tartályból) egy töményebb oldatba vezetik át.

Kolligatív tulajdonság lévén, vagyis az oldatot alkotó részecskék kollektív hatásából, nem pedig természetükből fakad, az ozmotikus nyomás az oldat összetételének ismeretében számítható ki. Vagyis ha tudjuk, hogy miből készül az oldat, és milyen mennyiségben található az összes komponens, akkor ki tudjuk számítani az ozmotikus nyomást.

A következő részben három példát mutatunk be az ozmotikus nyomás kiszámítására különböző helyzetekben:

• Oldott molekulatartalmú vagy elektrolit nélküli oldatokban.
• Elektrolit oldatokban.
• Több oldott anyagot tartalmazó oldatokban.

Ezen esetek bármelyikében az ozmózisnyomás kiszámítása a következő egyenlet felhasználásán alapul:

ahol π az ozmotikus nyomás, R az univerzális gázállandó, T az abszolút hőmérséklet Kelvinben, M pedig az oldatban jelen lévő összes szabad oldott anyag részecske moláris koncentrációja. Ez az utolsó koncentráció a jelenlévő oldott anyag vagy oldott anyagok típusától függ, és alapvetően az összes ozmotikusan aktív részecskék koncentrációinak összegéből áll, vagyis azoké, amelyek nem tudnak átjutni egy féligáteresztő membránon.

Semleges molekuláris oldott anyagoknál, vagyis olyanoknál, amelyek nem elektrolitok, M egyszerűen a molaritás. Az elektrolitok esetében azonban M a disszociáció során képződő ionok és a disszociálatlan molekulák koncentrációinak összege.

Mivel az ionok és a nem disszociált molekulák koncentrációja a disszociáció mértékétől függ, és ezt a disszociációs állandó, valamint az oldott anyag kezdeti vagy analitikai koncentrációja határozza meg, így az ozmotikusan aktív részecskék összkoncentrációja a disszociáció mértékétől függ. kezdeti koncentrációt a van’t Hoff-tényezőként ismert i tényezővel megszorozva ,  amelyet a következőképpen kapunk:

Ez a tényező a kérdéses oldott anyag típusától függően különböző módon határozható meg:

• Erős elektrolitok esetében, amelyek teljesen disszociálnak, a van’t Hoff-tényező egyenlő a disszociálódó ionok teljes számával, függetlenül az elektromos töltésüktől.
• Gyenge elektrolitoknál ez a tényező meghatározható a disszociációs állandóból, de a különböző hőmérsékletű, különböző oldott anyagokra táblázatba is foglalható, ami praktikusabb.
• Nem elektrolit oldott anyagok vagy molekuláris oldott anyagok esetében a tényező egyszerűen 1.

Az elektrolit molaritását vagy analitikai koncentrációját ezzel a tényezővel megszorozva az oldatban lévő ozmotikusan aktív részecskék tényleges koncentrációját kapjuk, így az ozmotikus nyomás megmarad:

Az ozmotikus nyomás kiszámításának lépései

Bármely oldat ozmózisnyomásának kiszámítása a következő lépésekben foglalható össze:

• 1. lépés: Vonja ki az adatokat az utasításból, és hajtsa végre a szükséges egységtranszformációkat.
• 2. lépés: Határozza meg az oldott anyag vagy oldott anyagok típusát és az együttható vagy a van’t Hoff-tényező értékét.
• 3. lépés: Számítsa ki az oldott anyag(ok) kezdeti molaritását vagy moláris koncentrációját.
• 4. lépés: Használja a képletet az ozmotikus nyomás kiszámításához.

Ezután bemutatjuk, hogyan kell követni ezeket a lépéseket az ozmotikus nyomás kiszámításához a fent említett három helyzetben.

1. eset: Nem elektrolit oldat ozmózisnyomásának kiszámítása

nyilatkozat

Határozzuk meg egy olyan oldat ozmózisnyomását 25,0 °C-on, amely 30,0 g glükózt (C ₆ H ₁₂ O ₆ ) tartalmaz annyi vízben, hogy 150,0 ml oldatot kapjunk.

1. lépés: Vonja ki az adatokat az utasításból, és hajtsa végre a szükséges egységtranszformációkat.

Ebben az esetben megadjuk a hőmérsékletet, az oldott anyag tömegét és az oldat térfogatát. A hőmérsékletet Kelvin-re, a térfogatot pedig literekre kell transzformálni (mivel a molaritást számítják).

Továbbá, ha már nincs meg a mólszáma, mindig szükségünk van az oldott anyag moláris tömegére:

2. lépés: Határozza meg az oldott anyag vagy oldott anyagok típusát és az együttható vagy a van’t Hoff-tényező értékét.

A glükóz semleges molekuláris vegyület, ami azt jelenti, hogy nem elektrolit (oldatban nem disszociál). Emiatt a van’t Hoff-tényezője 1.

3. lépés: Számítsa ki az oldott anyag(ok) kezdeti molaritását vagy moláris koncentrációját.

Mivel megvan az oldott anyag tömege, az oldat térfogata és az oldott anyag moláris tömege, csak a molaritási képletet kell alkalmazni:

4. lépés: Használja a képletet az ozmotikus nyomás kiszámításához.

Most már minden megvan, ami az ozmotikus nyomás kiszámításához szükséges. Attól függően, hogy milyen egységekben szeretnénk a nyomást kiszámítani, az ideális gázállandó különböző értékeit használhatjuk. A legtöbb kémiában és biológiában végzett számításnál ezt a nyomást atmoszférában számítják, így ezekben az egységekben az ideális gázállandót, azaz 0,08206 atm.L/ mol.K-t használjuk:

2. eset: Elektrolit oldat ozmózisnyomásának kiszámítása

nyilatkozat

Határozzuk meg egy olyan oldat ozmózisnyomását 37,0 °C-on, amely 0,900 g nátrium-kloridot (NaCl) tartalmaz 100,0 ml oldatban.

1. lépés: Vonja ki az adatokat az utasításból, és hajtsa végre a szükséges egységtranszformációkat.

Ebben az esetben ismét megadjuk a hőmérsékletet, az oldott anyag tömegét és az oldat térfogatát. Ismét át kell alakítani a hőmérsékletet Kelvin-re, és ki kell számítani a térfogatot literre és az oldott anyag moláris tömegét:

2. lépés: Határozza meg az oldott anyag vagy oldott anyagok típusát és az együttható vagy a van’t Hoff-tényező értékét.

A nátrium-klorid erős elektrolit, amely vizes oldatban teljesen disszociál. A disszociációs reakció a következő:

Amint látható, a NaCl minden egyes képletegysége két iont, egy nátriumkationt és egy chorid aniont eredményez, és nem marad disszociálatlan NaCl egység. Ezért ennél az oldott anyagnál a van’t Hoff-együttható vagy faktor értéke 2.

3. lépés: Számítsa ki az oldott anyag(ok) kezdeti molaritását vagy moláris koncentrációját.

Az előző esethez hasonlóan itt is megvan az oldott anyag tömege, az oldat térfogata és az oldott anyag moláris tömege, így a molaritás a következőképpen adódik:

4. lépés: Használja a képletet az ozmotikus nyomás kiszámításához.

Ezt a lépést ugyanúgy hajtjuk végre, mint korábban. Ismét kiszámítjuk az ozmotikus nyomást légkörben:

3. eset: Több oldott anyagot tartalmazó oldat ozmózisnyomásának kiszámítása

nyilatkozat

Határozza meg az ozmózisnyomást 37°C-os átlagos testhőmérsékleten a következő összetételű laktát Ringer-oldatban:

102,7 mM nátrium-klorid

27,8 mM nátrium-laktát (NaC ₃ H ₅ O ₃ )

5,4 mM kálium-klorid

1,8 mM kalcium-klorid-dihidrát.

Ez egy fontos példa az ozmózisnyomás kiszámítására, mivel a szérumokat, például a fent idézett laktát Ringer-oldatot, meghatározott ozmózisnyomással kell elkészíteni. Egyeseknél a vérszérum ozmotikus nyomása megegyezik, míg mások magasabb vagy alacsonyabb ozmózisnyomással rendelkeznek, a páciens állapotától függően.

1. lépés: Vonja ki az adatokat az utasításból, és hajtsa végre a szükséges egységtranszformációkat.

Ebben az esetben négy különböző oldott anyagot tartalmazó megoldásunk van. Az oldott anyagok koncentrációját közvetlenül adjuk meg, de mM (milimoláris) egységekben, így azokat molaritássá kell alakítani. Meg van adva a hőmérséklet is, amit Kelvinre kell átalakítani. Az első átalakítást 1000-el való osztással hajtjuk végre.

2. lépés: Határozza meg az oldott anyag vagy oldott anyagok típusát és az együttható vagy a van’t Hoff-tényező értékét.

A nátrium-klorid, a nátrium-laktát és a kálium-klorid erős elektrolitok, amelyek disszociálva egyenként 2 iont képeznek, így van’t Hoff-együtthatójuk 2.

Kalcium-klorid esetében a disszociációs reakció a következő:

Ha teljesen disszociál, összesen 3 ion képződik, ami a van’t Hoff-tényezőt 3-at ad. Kísérletileg azonban megállapították, hogy ez az oldott anyag nem disszociál teljesen, és faktora valamivel kisebb, mint 2, 7.

3. lépés: Számítsa ki az oldott anyag(ok) kezdeti molaritását vagy moláris koncentrációját.

Ez a lépés nem szükséges ehhez a feladathoz, mivel az utasítás minden szükséges koncentrációt megad.

4. lépés: Használja a képletet az ozmotikus nyomás kiszámításához.

Ha több oldott anyag van, a teljes ozmotikus nyomás egyszerűen megfelel mindegyikük hozzájárulásának összegének. Ez a következőképpen foglalható össze:

ahol az összeg meghaladja az összes jelenlévő oldott anyagot, legyen az elektrolit vagy nem elektrolit. Ennek az összegzésnek az eredménye az oldat ozmolaritása, vagyis az összes ozmotikusan aktív részecske összkoncentrációja.

Mivel már minden szükséges adattal rendelkezünk, az ozmotikus nyomás kiszámításához ezt a képletet kell alkalmazni:

Hivatkozások

Brown, T. (2021). Kémia: A központi tudomány (11. kiadás). London, Anglia: Pearson Education.

Castro, S. (2019, február 22). Ozmotikus nyomás Képlet és megoldott gyakorlatok. Letöltve: https://www.profesor10demates.com/2018/12/presion-osmotica-formula-y-ejercicios-resueltos.html

Chang, R., Manzo, Á. R., Lopez, PS és Herranz, ZR (2020). Kémia (10. kiadás). New York City, NY: MCGRAW-HILL.

Murcia Régió Egészségügyi Képzéséért és Kutatásáért Alapítvány. (nd). 2.-Az ozmózis és az ozmotikus nyomás alapelvei. A plazma ozmolalitás (OSMP) számítása. Letöltve: http://www.ffis.es/volviendoalobasico/2principios_bsicos_de_la_smosis_y_la_presin_onctica_clculo_de_la_osmolalidad_plasmtica_osmp.html

Fiatal. (nd). Elektrolitok: van’t Hoff-faktor | Protokoll (spanyolra fordítva). Letöltve: https://www.jove.com/science-education/11371/electrolitos-factor-de-van-t-hoff?language=Spanish

Tabazz, U. (2012, szeptember 20.). Elektrokémia. Letöltve: https://www.slideshare.net/utabazz/electroquimica-14366482