10. РАСТВОРЫ. ОСМОТИЧЕСКОЕ ДАВЛЕНИЕ

Многие твердые тела способны растворяться в жидкостях. При растворении вещества его молекулы равномерно распределяются среди молекул растворителя.

Как правило, процесс растворения не представляет собой простого молекулярного раздробления растворяемого вещества. Обычно растворение сопровождается энергичным физическим и химическим взаимодействием молекул растворителя с молекулами растворенного вещества. Весьма часто молекулы растворенного вещества оказываются окруженными молекулами растворителя, образующими вокруг них более или менее устойчивую оболочку. В йодных растворах эти оболочки называют гидратными оболочками, в неводных — сольватными.

Д. И. Менделеев впервые указал на необходимость учитывать при растворении вещества химические взаимодействия. Хотя дальнейшее развитие учения о растворах и подтвердило правильность мысли Менделеева о наличии химических взаимодействий между молекулами веществ при растворении, однако не у всех растворов это взаимодействие существенно влияет на свойства растворов. Во многих растворах взаимодействие между молекулами растворенного вещества и растворителя мало отличается от взаимодействия молекул этих веществ, взятых порознь. Подобные растворы должны напоминать по своим свойствам смеси газов.

Если раствор разбавленный, т. е. если в единице объема растворителя содержится небольшое количество растворенного вещества, то молекулы последнего оказываются отстоящими далеко друг от друга и особенности их взаимодействия никак не проявляются. Влияние молекул растворителя на движение молекул растворенного вещества взаимно компенсируется, так что его оказывается возможным не учитывать. Растворенное вещество в разбавленном растворе ведет себя подобно идеальному газу.

Мысль о сходстве свойств растворенного вещества со свойствами идеального газа была высказана голландским физиком Вант-Гоффом (1852—1911). Развивая мысль об аналогии между смесью газов и жидким раствором, Вант-Гофф пришел к выводу о том, что растворенное вещество должно оказывать давление, подобное парциальному давлению газа, добавленного в небольшом количестве к какому-либо другому газу. Это давление было названо осмотическим.

Если раствор, содержащий килограмм растворенного вещества, молекулярный вес которого занимает объем V, то, согласно закону Вант-Гоффа, осмотическое давление можно подсчитать по аналогии с давлением идеального газа при помощи уравнения:

в котором универсальная газовая постоянная, -абсолютная температура. Величина численно равная числу киломолей растворенного вещества в раствора, называется молярной концентрацией с, поэтому закон Вант-Гоффа часто записывают в следующей форме:

Таким образом, осмотическое давление пропорционально молярной концентрации растворенного вещества и абсолютной температуре раствора.

Естественно возникает вопрос, как обнаружить проявления осмотического давления.

Жидкость находится, с одной стороны, под действием внешнего давления р, а с другой стороны — под действием внутреннего давления обусловленного силами молекулярного притяжения. Осмотическое давление, оказываемое частицами растворенного вещества, должно несколько увеличить объем жидкости, поскольку оно направлено противоположно внешнему и внутреннему давлениям, сжимающим жидкость. Обнаружить, однако, это в разбавленных растворах, для которых справедливы сформулированные выше простые закономерности, практически невозможно, поскольку внутреннее давление по абсолютной величине несоизмеримо больше осмотическою давления и полностью маскирует его действие.

Рис. 62. Обнаружение осмотического давления.

Для обнаружения осмотического давления прибегают к использованию свойств полупроницаемых перегородок, способных свободно пропускать растворитель, но задерживающих частицы растворенного вещества. Для точных измерений полупроницаемые перегородки обычно приготавливаются следующим образом: пористый сосуд из неглазурованного фарфора погружают в сосуд больших размеров, наполненный раствором медного купороса. Внутрь пористого сосуда наливают раствор железистосинеродистого калия. Растворенные соли диффундируют в поры фарфорового сосуда и, встречаясь, реагируют, образуя пленку железистосинеродистой меди, пропускающей воду, но не пропускающей молекулы многих растворенных веществ, например сахара.

Осмотическое давление в растворе, помещенном во внутренний сосуд прибора, изображенного на рисунке 62, уравновешивается внешним и внутренним давлениями, действующими на жидкость. Если заменить дно сосуда, содержащего раствор, полупроницаемой перегородкой, то растворитель из внешнего сосуда сможет свободно поступать во внутренний. Осмотическое давление на поверхность раствора окажется неуравновешенным, и поверхность начнет перемещаться вверх, как бы втягивая при этом растворитель во внутренний сосуд.

Движение жидкости будет продолжаться до тех пор, пока возникшая разница уровней жидкости во внешнем и внутреннем сосудах не уравновесит осмотическое давление. Результаты экспериментального определения осмотического давления (таблица № 13) подтверждают справедливость представлений Вант-Гоффа. Осмотические явления играют большую роль в жизнедеятельности растительных и животных организмов. Оболочки клеток, из

Таблица 13 (см. скан) Осмотическое давление сахарозы при 0° С

которых состоят живые организмы, являются полупроницаемыми перегородками, и многие виды важного для организма обмена веществ совершаются в результате осмотического проникновения жидкости через полупроницаемую перегородку.