วิธีการคำนวณแรงดันออสโมติกของสารละลาย

แรงดันออสโมซิสซึ่งแสดงด้วยอักษรกรีก pi ( π ) เป็นสมบัติการรวมตัวของสารละลายที่สอดคล้องกับแรงดันที่ต้องใช้กับสารละลายเพื่อหยุดออสโมซิส ส่วนหลังประกอบด้วยการผ่านของตัวทำละลายผ่านเมมเบรนกึ่งซึมผ่านจากสารละลายที่เจือจางกว่า (หรือจากแหล่งกักเก็บของตัวทำละลายบริสุทธิ์) ไปยังสารละลายที่มีความเข้มข้นมากกว่า

ในฐานะที่เป็นสมบัติคอลลิเกทีฟ กล่าวคือ มันมาจากผลรวมของอนุภาคที่ประกอบกันเป็นสารละลาย ไม่ใช่จากธรรมชาติ ความดันออสโมติกสามารถคำนวณได้จากความรู้เกี่ยวกับองค์ประกอบของสารละลายดังกล่าว กล่าวอีกนัยหนึ่ง ถ้าเรารู้ว่าสารละลายทำมาจากอะไรและพบส่วนประกอบทั้งหมดในปริมาณเท่าใด เราก็สามารถคำนวณแรงดันออสโมติกได้

ในหัวข้อต่อไปนี้ จะแสดงตัวอย่างสามตัวอย่างในการคำนวณแรงดันออสโมติกในสถานการณ์ต่างๆ:

• ในสารละลายที่มีตัวละลายโมเลกุลหรือไม่มีอิเล็กโทรไลต์
• ในสารละลายอิเล็กโทรไลต์
• ในสารละลายที่มีตัวละลายหลายชนิด

ในกรณีเหล่านี้ การคำนวณแรงดันออสโมติกขึ้นอยู่กับการใช้สมการต่อไปนี้:

โดยที่πคือแรงดันออสโมติกRคือค่าคงที่ของก๊าซสากลTคืออุณหภูมิสัมบูรณ์ในหน่วยเคลวิน และMคือความเข้มข้นโมลาร์ของอนุภาคตัวถูกละลายอิสระทั้งหมดที่มีอยู่ในสารละลาย ความเข้มข้นสุดท้ายนี้ขึ้นอยู่กับชนิดของตัวละลายหรือตัวถูกละลายที่มีอยู่ และโดยพื้นฐานแล้วประกอบด้วยผลรวมของความเข้มข้นของอนุภาคที่แอคทีฟออสโมติกทั้งหมด นั่นคืออนุภาคที่ไม่สามารถผ่านเมมเบรนแบบกึ่งผ่านได้

ในกรณีของตัวละลายโมเลกุลที่เป็นกลาง ซึ่งก็คือตัวละลายที่ไม่ใช่อิเล็กโทรไลต์ M เป็นเพียงโมลาริตีเท่านั้น อย่างไรก็ตาม ในกรณีของอิเล็กโทรไลต์ M แสดงถึงผลรวมของความเข้มข้นของไอออนที่เกิดขึ้นจากการแตกตัวและของโมเลกุลที่ยังไม่แยกตัว

เนื่องจากความเข้มข้นของไอออนและของโมเลกุลที่ไม่แยกตัวขึ้นอยู่กับระดับของการแยกตัว และสิ่งนี้ถูกกำหนดโดยค่าคงที่ของการแตกตัวและโดยความเข้มข้นเริ่มต้นหรือเชิงวิเคราะห์ของตัวถูกละลาย ดังนั้น ความเข้มข้นทั้งหมดของอนุภาคที่ออกฤทธิ์แบบออสโมติกจึงสามารถเกี่ยวข้องกับ ความเข้มข้นเริ่มต้นโดยการคูณด้วยปัจจัยที่เรียกว่าvan’t Hoff factor, i ซึ่งกำหนดโดย:

ปัจจัยนี้สามารถกำหนดได้หลายวิธีขึ้นอยู่กับประเภทของตัวถูกละลายที่เป็นปัญหา:

• สำหรับอิเล็กโทรไลต์เข้มข้นที่แยกตัวออกอย่างสมบูรณ์ แฟกเตอร์ van’t Hoff จะเท่ากับจำนวนไอออนทั้งหมดที่แยกตัวออก โดยไม่คำนึงถึงประจุไฟฟ้าของอิออน
• สำหรับอิเล็กโทรไลต์ที่อ่อนแอ ปัจจัยนี้สามารถหาได้จากค่าคงที่การแยกตัวออก แต่ยังมีตารางสำหรับตัวถูกละลายที่แตกต่างกันที่อุณหภูมิต่างกัน ซึ่งเป็นประโยชน์มากกว่า
• ในกรณีของตัวถูกละลายที่ไม่ใช่อิเล็กโทรไลต์หรือตัวถูกละลายระดับโมเลกุล ปัจจัยคือ 1

การคูณโมลาริตีหรือความเข้มข้นเชิงวิเคราะห์ของอิเล็กโทรไลต์ด้วยปัจจัยนี้ส่งผลให้ความเข้มข้นที่แท้จริงของอนุภาคที่ออกฤทธิ์แบบออสโมติกอยู่ในสารละลาย ดังนั้นแรงดันออสโมติกจึงยังคงอยู่:

ขั้นตอนในการคำนวณแรงดันออสโมติก

การคำนวณแรงดันออสโมติกของสารละลายใด ๆ สามารถสรุปได้ในขั้นตอนต่อไปนี้:

• ขั้นตอนที่ 1:แยกข้อมูลจากคำสั่งและดำเนินการแปลงหน่วยที่จำเป็น
• ขั้นตอนที่ 2:กำหนดชนิดของตัวถูกละลายหรือตัวถูกละลายและค่าของสัมประสิทธิ์หรือปัจจัยแวนท์ฮอฟฟ์
• ขั้นตอนที่ 3:คำนวณโมลาริตีเริ่มต้นหรือความเข้มข้นโมลาร์ของตัวถูกละลาย
• ขั้นตอนที่ 4:ใช้สูตรเพื่อคำนวณแรงดันออสโมติก

ต่อไปจะแสดงวิธีการทำตามขั้นตอนเหล่านี้เพื่อคำนวณแรงดันออสโมติกในสามสถานการณ์ที่กล่าวถึงข้างต้น

กรณีที่ 1: การคำนวณแรงดันออสโมติกของสารละลายที่ไม่ใช่อิเล็กโทรไลต์

คำแถลง

กำหนดแรงดันออสโมติกที่ 25.0 °C ของสารละลายที่มีกลูโคส 30.0 กรัม (C ₆ H ₁₂ O ₆ ) ละลายในน้ำมากพอที่จะได้สารละลาย 150.0 มิลลิลิตร

ขั้นตอนที่ #1: แยกข้อมูลจากคำสั่งและดำเนินการแปลงหน่วยที่จำเป็น

ในกรณีนี้ จะกำหนดอุณหภูมิ มวลของตัวถูกละลาย และปริมาตรของสารละลาย อุณหภูมิจะต้องเปลี่ยนเป็นเคลวินและปริมาตรเป็นลิตร (เนื่องจากจะมีการคำนวณโมลาริตี)

นอกจากนี้ เว้นแต่เราจะมีจำนวนโมลของมันอยู่แล้ว เราก็ต้องมีมวลโมลาร์ของตัวถูกละลายเสมอ:

ขั้นตอนที่ 2: กำหนดชนิดของตัวถูกละลายหรือตัวถูกละลายและค่าของสัมประสิทธิ์หรือปัจจัยแวนท์ฮอฟฟ์

กลูโคสเป็นสารประกอบโมเลกุลที่เป็นกลาง ซึ่งหมายความว่าไม่ใช่อิเล็กโทรไลต์ (ไม่แตกตัวในสารละลาย) ด้วยเหตุผลนี้ ปัจจัย van’t Hoff จึงเท่ากับ 1

ขั้นตอนที่ 3: คำนวณโมลาริตีเริ่มต้นหรือความเข้มข้นโมลาร์ของตัวถูกละลาย

เนื่องจากเรามีมวลของตัวถูกละลาย ปริมาตรของสารละลาย และมวลโมลาร์ของตัวถูกละลาย เราจึงต้องใช้สูตรโมลาริตีเท่านั้น:

ขั้นตอนที่ #4: ใช้สูตรเพื่อคำนวณแรงดันออสโมติก

ตอนนี้เรามีทุกอย่างที่จำเป็นในการคำนวณแรงดันออสโมติกแล้ว ขึ้นอยู่กับหน่วยที่เราต้องการคำนวณความดันเราสามารถใช้ค่าคงที่ของก๊าซในอุดมคติที่แตกต่างกัน สำหรับวัตถุประสงค์ของการคำนวณส่วนใหญ่ในวิชาเคมีและชีววิทยา ความดันนี้คำนวณในบรรยากาศ ดังนั้นค่าคงที่ของก๊าซในอุดมคติจึงถูกนำมาใช้ในหน่วยเหล่านี้ นั่นคือ 0.08206 atm.L/ mol.K:

กรณีที่ 2: การคำนวณแรงดันออสโมติกของสารละลายอิเล็กโทรไลต์

คำแถลง

กำหนดแรงดันออสโมติกที่ 37.0 °C ของสารละลายที่มีโซเดียมคลอไรด์ (NaCl) 0.900 กรัมต่อสารละลาย 100.0 มิลลิลิตร

ขั้นตอนที่ 1: แยกข้อมูลจากคำสั่งและดำเนินการแปลงหน่วยที่จำเป็น

ในกรณีนี้ ให้กำหนดอุณหภูมิ มวลของตัวถูกละลาย และปริมาตรของสารละลายอีกครั้ง อีกครั้ง ต้องเปลี่ยนอุณหภูมิเป็นเคลวินและปริมาตรเป็นลิตรและต้องคำนวณมวลโมลาร์ของตัวถูกละลาย:

ขั้นตอนที่ 2: กำหนดชนิดของตัวถูกละลายหรือตัวถูกละลายและค่าของสัมประสิทธิ์หรือปัจจัยแวนท์ฮอฟฟ์

โซเดียมคลอไรด์เป็นอิเล็กโทรไลต์ที่เข้มข้นซึ่งแตกตัวในสารละลายที่เป็นน้ำได้อย่างสมบูรณ์ ปฏิกิริยาการแยกตัวคือ:

ดังที่เห็นได้ แต่ละหน่วยสูตรของ NaCl ก่อให้เกิดไอออน 2 ไอออน โซเดียมไอออนบวกและไอออนของคลอไรด์ และไม่มีหน่วย NaCl ที่ไม่สัมพันธ์กันหลงเหลืออยู่ ดังนั้น สำหรับตัวถูกละลายนี้ ค่าสัมประสิทธิ์ของ van’t Hoff หรือตัวประกอบมีค่าเท่ากับ 2

ขั้นตอนที่ #3: คำนวณโมลาริตีเริ่มต้นหรือความเข้มข้นโมลาร์ของตัวถูกละลาย

เช่นเดียวกับในกรณีก่อนหน้านี้ เรามีมวลของตัวถูกละลาย ปริมาตรของสารละลาย และมวลโมลาร์ของตัวถูกละลาย ดังนั้นค่าโมลาริตีจะได้รับจาก:

ขั้นตอนที่ #4: ใช้สูตรเพื่อคำนวณแรงดันออสโมติก

ขั้นตอนนี้ดำเนินการในลักษณะเดียวกับก่อนหน้านี้ เราจะคำนวณแรงดันออสโมติกในบรรยากาศอีกครั้ง:

กรณีที่ 3: การคำนวณแรงดันออสโมติกของสารละลายที่มีตัวละลายหลายชนิด

คำแถลง

กำหนดแรงดันออสโมติกที่อุณหภูมิร่างกายเฉลี่ย 37°C ของสารละลาย Ringer’s ที่ให้นมซึ่งมีองค์ประกอบต่อไปนี้:

โซเดียมคลอไรด์ 102.7 มิลลิโมลาร์

โซเดียมแลคเตต 27.8 มิลลิโมลาร์ (NaC ₃ H ₅ O ₃ )

โพแทสเซียมคลอไรด์ 5.4 มิลลิโมลาร์

แคลเซียมคลอไรด์ไดไฮเดรต 1.8 ม.ม.

นี่เป็นตัวอย่างที่สำคัญของการคำนวณแรงดันออสโมติก เนื่องจากซีรั่ม เช่น สารละลายของแลคเต็ดริงเกอร์ที่อ้างถึงข้างต้น จะต้องเตรียมด้วยแรงดันออสโมติกเฉพาะ บางชนิดมีแรงดันออสโมติกเท่ากับซีรั่มในเลือด ในขณะที่บางชนิดมีแรงดันออสโมติกสูงหรือต่ำกว่า ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับสภาวะของผู้ป่วย

ขั้นตอนที่ 1: แยกข้อมูลจากคำสั่งและดำเนินการแปลงหน่วยที่จำเป็น

ในกรณีนี้ เรามีสารละลายที่มีตัวละลายต่างกันสี่ชนิด ความเข้มข้นของตัวถูกละลายมีให้โดยตรง แต่มีหน่วยเป็น mM (มิลลิโมลาร์) ดังนั้นจึงต้องเปลี่ยนเป็นโมลาริตี มีการให้อุณหภูมิด้วยซึ่งต้องเปลี่ยนเป็นเคลวิน การแปลงครั้งแรกดำเนินการโดยการหารด้วย 1,000

ขั้นตอนที่ 2: กำหนดชนิดของตัวถูกละลายหรือตัวถูกละลายและค่าของสัมประสิทธิ์หรือปัจจัยแวนท์ฮอฟฟ์

โซเดียมคลอไรด์ โซเดียมแลคเตต และโพแทสเซียมคลอไรด์เป็นอิเล็กโทรไลต์ที่เข้มข้นซึ่งแยกตัวออกเป็น 2 ไอออน ดังนั้นค่าสัมประสิทธิ์แวนต์ฮอฟฟ์ของพวกมันจึงเท่ากับ 2

ในกรณีของแคลเซียมคลอไรด์ ปฏิกิริยาการแยกตัวคือ:

หากแยกตัวออกอย่างสมบูรณ์ จะเกิดไอออนทั้งหมด 3 ตัว โดยให้ปัจจัย van’t Hoff เท่ากับ 3 อย่างไรก็ตาม ได้มีการพิจารณาจากการทดลองแล้วว่าตัวถูกละลายนี้ไม่ได้แยกตัวออกทั้งหมด และมีแฟกเตอร์น้อยกว่า 2 เล็กน้อย 7.

ขั้นตอนที่ 3: คำนวณโมลาริตีเริ่มต้นหรือความเข้มข้นโมลาร์ของตัวถูกละลาย

ขั้นตอนนี้ไม่จำเป็นสำหรับปัญหานี้เนื่องจากข้อความแจ้งมีความเข้มข้นที่จำเป็นทั้งหมด

ขั้นตอนที่ 4: ใช้สูตรเพื่อคำนวณแรงดันออสโมติก

เมื่อมีหลายตัวถูกละลาย แรงดันออสโมติกทั้งหมดจะสอดคล้องกับผลรวมของส่วนร่วมของแต่ละตัวละลาย สรุปได้ดังนี้

โดยที่ผลรวมจะมากกว่าตัวถูกละลายทั้งหมดที่มีอยู่ ไม่ว่าจะเป็นอิเล็กโทรไลต์หรือไม่ใช่อิเล็กโทรไลต์ ผลของการรวมนี้คือสิ่งที่เป็นที่รู้จักกันทั่วไปว่าเป็นออสโมลาริตีของสารละลาย นั่นคือ ความเข้มข้นรวมของอนุภาคที่แอคทีฟออสโมโมติกทั้งหมด

เนื่องจากเรามีข้อมูลที่จำเป็นทั้งหมดแล้ว ทุกอย่างเป็นเรื่องของการใช้สูตรนี้เพื่อคำนวณแรงดันออสโมติก:

อ้างอิง

บราวน์ ที. (2564). เคมี: วิทยาศาสตร์กลาง (ฉบับที่ 11) ลอนดอน ประเทศอังกฤษ: เพียร์สัน เอดูเคชั่น.

Castro, S. (2019, 22 กุมภาพันธ์). สูตรแรงดันออสโมติกและแบบฝึกหัดที่แก้ไขแล้ว สืบค้นจากhttps://www.profesor10demates.com/2018/12/presion-osmotica-formula-y-ejercicios-resueltos.html

Chang, R., Manzo, Á. ร. โลเปซ PS และเฮอร์รานซ์ ZR (2020) เคมี (ฉบับที่ 10) นครนิวยอร์ก รัฐนิวยอร์ก: MCGRAW-HILL

มูลนิธิเพื่อการฝึกอบรมและการวิจัยด้านสุขภาพของภูมิภาคมูร์เซีย (น). 2.-หลักการพื้นฐานของออสโมซิสและแรงดันออสโมติก การคำนวณพลาสมาติกออสโมลาลิตี (OSMP) สืบค้นจากhttp://www.ffis.es/volviendoalobasico/2principios_bsicos_de_la_smosis_y_la_presin_onctica_clculo_de_la_osmolalidad_plasmtica_osmp.html

หนุ่มสาว. (น). อิเล็กโทรไลต์: van’t Hoff Factor | พิธีสาร (แปลเป็นภาษาสเปน) สืบค้นจากhttps://www.jove.com/science-education/11371/electrolitos-factor-de-van-t-hoff?language=Spanish

Tabazz, U. (2012, 20 กันยายน). เคมีไฟฟ้า. สืบค้นจากhttps://www.slideshare.net/utabazz/electroquimica-14366482