УЧЕБНАЯ КНИГА ПО ХИМИИ

ДЛЯ УЧИТЕЛЕЙ СРЕДНИХ ШКОЛ,
СТУДЕНТОВ ПЕДАГОГИЧЕСКИХ ВУЗОВ И ШКОЛЬНИКОВ 9–10 КЛАССОВ,
РЕШИВШИХ ПОСВЯТИТЬ СЕБЯ ХИМИИ И ЕСТЕСТВОЗНАНИЮ

УЧЕБНИКЗАДАЧНИКЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМНАУЧНЫЕ РАССКАЗЫ ДЛЯ ЧТЕНИЯ

Продолжение. См. № 4–14, 16–28, 30–34, 37–44, 47, 48/2002;
1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23,
24, 25-26, 27-28, 29, 30, 31, 32, 35, 36, 37/2003

§ 6.2. Общие свойства растворов

(продолжение)

Мы изучили три метода исследования растворов: определение давления насыщенного пара, криоскопический и эбулиоскопический. Все они взаимосвязаны (диаграмма состояния воды). Среди других методов изучения растворов очень интересен метод осмотического давления.
Растворенное вещество по своему поведению во многих отношениях похоже на газ. Так, растворенное вещество, как и газ, стремится равномерно распределиться по всему объему раствора. Если неокрашенный растворитель привести в соприкосновение с окрашенным раствором (окраска вещества для удобства наблюдения), то вы увидите, что оно (растворенное вещество) проникает в неокрашенную жидкость (растворитель). Происходит диффузия – переход молекул растворенного вещества через поверхность раздела в растворитель и одновременно молекул растворителя в раствор. Такая встречная, двухсторонняя диффузия растворенного вещества и растворителя продолжается до тех пор, пока система не придет в состояние равновесия или пока энтропия системы не станет максимальной.
Можно сделать диффузию односторонней, разделив некоторый раствор и растворитель полупроницаемой перегородкой (мембраной), проницаемой для молекул растворителя и непроницаемой для молекул растворенного вещества.
Если сосуд 1, закрытый внизу полупроницаемой перегородкой 2 и наполненный водным раствором какого-либо вещества, поместить в сосуд 3 с водой, то вода будет проходить из сосуда 3 в сосуд 1 (рис. 6.7).

Явление самопроизвольного перехода растворителя через полупроницаемую перегородку в раствор называется осмосом. Через некоторое время объем раствора в сосуде 1 увеличится и его уровень поднимется выше уровня растворителя в сосуде 3 на высоту h.
В результате увеличения объема раствора в сосуде 1 возникает гидростатическое давление, называемое осмотическим давлением, которое количественно оценивается высотой h подъема жидкости в сосуде 1.
Процесс перехода растворителя в раствор самопроизволен, но обратный процесс самопроизвольно осуществляться не может, и для разделения раствора на растворитель и растворенное вещество следует затратить работу. Если в сосуде 1 с раствором увеличить давление, то растворитель будет переходить в обратном направлении через мембрану 2 в сосуд 3. Этот процесс называется обратным осмосом, его используют для опреснения морской воды.
Почему через полупроницаемую перегородку проходят молекулы воды и не проходят ионы натрия или калия, значительно меньшие по размерам? Ответ вы знаете! Подумайте!
Осмотическое давление зависит от концентрации растворенного вещества и температуры. Так, при увеличении концентрации с сахарозы в воде в два раза осмотическое давление возрастает примерно в два раза, при увеличении концентрации c в три раза осмотическое давление
возрастает почти во столько же и т. д. Это можно записать следующим образом: ~ с, где с – мольная (молярная) концентрация (для точных измерений пользуются моляльной концентрацией).
При повышении температуры на один градус осмотическое давление возрастает на 1/273 часть своего первоначального значения. При повышении температуры на 10 градусов осмотическое давление возрастает на 10/273 и т. д. При повышении температуры Т (в К) в два раза осмотическое давление возрастает также в 2 раза. Таким образом, выполняется зависимость: ~ Т.
Объединяя обе зависимости (от концентрации и температуры) и вводя коэффициент пропорциональности R, получаем: = RсТ.
Для нахождения численного значения R подставим в эту формулу значения осмотического давления , концентрации с и температуры Т для одного из опытов. Так, при концентрации сахарозы 0,01 моль/л и температуре 0 °С (273 К) осмотическое давление составило 22 700 Па, поэтому

R = /сТ = 22 700/(0,01•273) = 8315 Па•л/(К•моль).

Этот результат интересен тем, что он показывает удивительную взаимосвязь и взаимозависимость явлений природы. Мы нашли, что численное значение коэффициента пропорциональности R в выражении осмотического давления совпадает со значением универсальной газовой постоянной (8314 Па•л/К•моль).
Из этого следует, что осмотическое давление раствора, содержащего 1 моль сахарозы (или любого другого неэлектролита), равно 2 270 000 Па (22,4 атм), а осмотическое давление раствора, в котором на 22,4 л приходится 1 моль сахарозы, составит 101 325 Па (1 атм). Следовательно, при Т = 273 К и = 101 325 Па (нормальные условия) раствор, содержащий 1 моль сахарозы, должен занимать объем 22,4 л. Этот пример иллюстрирует аналогию между поведением вещества в растворенном и газообразном состояниях.
Осмотическое давление равно тому давлению, которое оказывало бы растворенное вещество, если бы оно, находясь в газообразном состоянии при данной температуре, занимало тот же объем, который занимает раствор (закон и уравнение Вант-Гоффа).
Осмос производит работу! На рис. 6.8 полупроницаемая перегородка 2 располагается в дне поршня 4, над которым – растворитель 3, под поршнем 4 находится раствор 1. Растворитель, проходя через полупроницаемую перегородку 2 в раствор 1, поднимает поршень с грузом 5. Подбирая массу груза, которая уравновешивает осмотическое давление, можно непосредственно определить осмотическое давление раствора.

Растворы сахарозы С₁₂Н₂₂О₁₁, глюкозы С₆Н₁₂О₆, глицерина СН₂ОНСНОНСН₂ОН, этилового спирта С₂Н₅ОН, карбамида СО(NН₂)₂, содержащие 1 моль вещества в 22,4 л раствора, имеют осмотическое давление 101 325 Па (1 атм) при нормальных условиях. Такие же растворы хлорида натрия или нитрата натрия имеют осмотическое давление в два раза больше. Аналогичные растворы хлорида кальция СаСl₂, нитрата магния Mg(NO₃)₂, сульфата натрия Na₂SO₄ имеют осмотическое давление в три раза более высокое, а растворы хлорида алюминия AlCl3 или нитрата железа Fe(NO₃)₃ – в четыре раза более высокое.
Объяснение причин такого изменения осмотического давления в зависимости от состава растворенной соли вы знаете. Напишите уравнения диссоциации этих солей.
Пользуясь осмотическим давлением, несложно определить мольную массу вещества в растворенном состоянии. Мольная масса равна числу граммов растворенного вещества, содержащихся в 22,4 л раствора при температуре 0 °С, когда осмотическое давление раствора равно 101 325 Па.

Пример. Определим мольную массу М глюкозы, если раствор, содержащий в 250 мл 9,04 г глюкозы, имеет осмотическое давление 4,56•10⁵ Па при температуре 0 °С.

Решение

В 1 л раствора содержится глюкозы:

9,04•1000/250 = 36,16 г.

Определим число молей глюкозы:

36,16/M = моль.

Подставляя (значение концентрации) и в уравнение осмотического давления, получаем:

4,56•10⁵ = 8314•273,15•36,16/М.

Откуда мольная масса глюкозы С₆Н₁₂О₆ равна 180 г/моль.

Механизм возникновения осмотического давления окончательно не выяснен. Некоторые исследователи считают, что аналогия между осмотическим и газовым давлениями случайна.
Осмос и осмотическое давление имеют огромное значение в биологических явлениях, т. к. оболочки клеток биологических тканей являются полупроницаемыми перегородками. Осмотическое давление клеточного сока растений изменяется от 2,0•10⁵ Па (у болотных растений) до 4,5•10⁶ Па (у степных). Вследствие осмоса вода и питательные растворы поднимаются из почвы по корням и далее по стволу растения на значительную высоту. Тканевые жидкости млекопитающих имеют осмотическое давление 6,7•10⁵–8,1•10⁵ Па. Осмотическое давление крови млекопитающих близко к осмотическому давлению океанской воды.
Осмотическое давление внутри живых клеток обусловливает прочность и упругость тканей, и благодаря ему осуществляется солевой обмен живой ткани с окружающей средой.
Осмотическое давление разбавленного раствора (с < 0,01 моль/л) прямо пропорционально мольной концентрации растворенного вещества, т. е. пропорционально числу частиц, находящихся в данном объеме раствора. Свойства растворов, зависящие от числа частиц, называются коллигативными. К этим свойствам относятся понижение давления пара растворителя над раствором, повышение температуры кипения, понижение температуры замерзания. Все эти свойства пропорциональны числу растворенных частиц.

Ответ на ранее заданный вопрос: почему через полупроницаемую перегородку проходят молекулы воды и не проходят ионы натрия или калия, значительно меньшие по размерам? Потому что ионы окружены гидратными оболочками. В первой ближайшей гидратной оболочке содержится 4–8 молекул воды, и такое сложное образование превышает размер одной молекулы воды и не позволяет ему проходить через полупроницаемую оболочку. К этому следует добавить, что вокруг иона может располагаться несколько гидратных оболочек.

Список новых и забытых понятий и слов

О.С.ЗАЙЦЕВ