Общий курс физики термодинамика и молекулярная физика - Сивухин Д.В.
Скачать (прямая ссылка):
Когда раствор отделен от чистого растворителя полупроницаемой перегородкой, то через нее молекулы чистого растворителя переходят в область, занятую раствором. Это явление называется осмосом. В результате осмоса возникает разность давлений между раствором и чистым растворителем. Когда она достигает определенного значения, то осмос прекращается. Разность давлений, при которой осмос прекращается, называется осмотическим давлением. Осмос происходит также в тех случаях, когда полупроницаемая перегородка разделяет два раствора различной концентрации.
Если, например, животный пузырь, наполненный спиртом, крепко завязать и опустить в воду, то он начнет раздуваться и даже может лопнуть под действием сил осмотического давления. Если же пузырь наполнить водой и опустить в спирт, то, наоборот, он будет сжиматься. Дело в том, что стенки пузыря проницаемы для воды, но непроницаемы для спирта. Подобные же явления набухания и разрыва оболочек наблюдаются при погружении в воду семян растений, фруктов или овощей. Ими объясняется «оживление» увядших цветов, опущенных в воду.
2. Механизм осмоса и действия полупроницаемой перегородки нельзя считать полностью выясненным. Согласно одной из точек зрения прохождение молекул растворителя через полупроницаемую перегородку осуществляется путем предварительного растворения их в материале перегородки. Этот процесс имеет тенденцию к насыщению по отношению к чистому растворителю. Однако еще до достижения этого насыщения раствор жидкости в перего-
§ 124]
ОСМОС И ОСМОТИЧЕСКОЕ ДАВЛЕНИЕ
493
в
родке оказывается пересыщенным по отношению к раствору, находящемуся по другую сторону перегородки (так как последний обеднен растворителем благодаря присутствию растворенного вещества). Тогда перегородка начнет отдавать в жидкий раствор часть растворенной в ней жидкости, растворяя при этом новые порции чистой жидкости. Растворенное вещество не проникает из жидкого раствора через перегородку, так как она не растворяется в ней. Таким образом, свойство полупроницаемое™ обусловлено не размерами пор перегородки, а различной растворимостью в ее материале соприкасающихся с ней веществ.
3. Приборы, служащие для измерения осмотического давления, называются осмометрами. На рис. 143 изображен осмометр, которьм пользовался Пфеффер в своих исследованиях по осмотическому давлению (1877 г.). В порах глиняного сосуда осаждена железистосинеродистая медь по способу, описанному выше. Сосуд наполняется водным раствором исследуемого вещества, например сахара.
Горло сосуда заткнуто плотно пригнанной пробкой с отверстием, в которое вставлена длинная вертикальная трубка. Если сосуд погрузить в чистую воду, то она начнет проникать внутрь сосуда через полупроницаемые стенки. Когда уровень жидкости в трубке достигнет определенной высоты, дальнейшее проникновение воды в сосуд прекратится, так как этому будет препятствовать гидростатическое давление столба жидкости в трубке.
Вес этого столба между уровнями АВ и С и
будет служить мерой осмотического давления: Рош = рgh, где р—
плотность раствора, ah — высота указанного столба жидкости.
4. Нетрудно понять происхождение осмотического давления. Так как растворитель может свободно проходить через полупроницаемую перегородку, то в состоянии равновесия числа молекул растворителя, ударяющихся о перегородку с противоположных сторон, должны быть одинаковы. Эти удары, урановешивая друг друга, не будут оказывать никакого давления на перегородку. Но удары о перегородку молекул растворенного вещества никакими противоположно направленными молекулярными ударами не уравновешиваются. Они и приводят к возникновению осмотического давления.
Для разбавленных растворов нетрудно вычислить и величину осмотического давления. Согласно теореме о равномерном распределении кинетической энергии по степеням свободы, скорость теплового движения молекул зависит только от температуры.
Растворитель~
Рис. 143.
494
РАСТВОРЫ
[ГЛ. XI
При одной и той же температуре она одинакова для жидкостей и газов. Кроме того, если раствор слабый, то число ударов молекул растворенного вещества о стенку сосуда будет таким же, как и для идеального газа с той же концентрацией молекул. Поэтому будет таким же и давление молекул растворенного вещества, т. е. осмотическое давление. Таким образом,
п _NkT__ 'RT
‘ ОСЫ у V у I
где N и v — числа молекул и молей растворенного вещества соответственно в объеме раствора V. Формула (124.1) показывает, что осмотическое давление в слабых растворах подчиняется тем же законам, что и давление идеальных газов. Этот закон был установлен Вант Гоффом (1852—1911) на основе опытов Пфеффера.
Величина осмотического давления слабых растворов не зависит от природы растворителя и растворенного вещества, а только от молярной объемной концентрации последнего. Например, если в литре раствора содержится 1 моль растворенного вещества, то по формуле (124.1) осмотическое давление при 15 °С будет равно
п 288 • 0,0821 о0 _
Росм =-----{-----=23,7 атм.
Мы видим, что осмотическое давление довольно значительно. Однако стенки сосуда, содержащего раствор, его не воспринимают. Дело в том, что осмотическое давление действует и на свободную поверхность жидкости. Эго приводит к растяжению жидкости. Возникающие силы натяжения компенсируют осмотическое давление. На стенки сосуда действует только гидростатическое давление.
