Осмотическое давление растворов

Явление осмоса (от греч. osmos - толчок, удар) впервые наблюдал А. Нолле, помещая водный раствор сахара в стеклянной, закрытой снизу полупроницаемой перепонкой трубке в сосуд с чистой водой. Вода, проникая через перепонку, вызывала подъем уровня раствора в трубке (рис. 7.3).

Для предотвращения проникновения растворителя в раствор над раствором нужно создать избыточное давление (Р’), называемое осмотическим.

Рис. 7.3. Схема опыта А. Нолле: 1 - трубка с раствором сахара; 2 - сосуд с водой; 3 - полупроницаемая перепонка.

Проявления осмотического давления весьма разносторонние. Например, типичные клетки живых организмов, образованные протоплазменной оболочкой, заполненной водным раствором различных веществ, испытывает осмотическое давление со стороны чистой воды в пределах от 4 до 20 105 Па. Поэтому обнаженные ткани (раневые поверхности) следует промывать не чистой водой, а физиологическим раствором с осмотическим давлением по отношению к клеточному раствору близкому к нулю. Это предохраняет клетки от набухания и разрушения.

В классической работе Вант-Гоффа (1886 г.) установлена связь осмотического давления с другими свойствами растворов.

Пусть раствор отделен от чистого растворителя полупроницаемой перегородкой (мембраной), способной перемещаться и пусть количество раствора так велико, что прибавление к нему или отнятие от него 1 моля растворителя не изменяет заметным образом его состав. Можно двумя путями перевести обратимо и изотермически 1 моль растворителя из чистого растворителя в раствор.

I путь. Испарение 1 моля растворителя из чистого растворителя при давлении его насыщенного пара Р0, расширение его до давления Р над раствором и конденсация под этим давлением в раствор.

Согласно (1.18) величина совершенной работы:

. (7.15)

Следует иметь в виду, что работы испарения и конденсации равны по величине, но противоположны по знаку, поэтому не учитываются.

II путь. Перемещение мембраны в растворитель на столько, пока сквозь нее в раствор не перейдет объем растворителя, отвечающий 1 молю его в газообразном состоянии. При этом, в соответствии с (1.11) совершается работа:

, (7.16)

где р’ - осмотическое давление;

v0 - молярный объем растворителя.

Так как А1 = А2, то , откуда:

. (7.17)

Это соотношение позволяет рассчитывать осмотическое давление для любых, в том числе и реальных растворов.

Для случая разбавленных растворов: и . Мольная доля растворенного вещества может быть рассчитана следующим образом:



, (7.18)

где n - количество растворенного вещества;

n0 - количество растворителя.

Тогда:

, (7.19)

где V = v0n0 - объем раствора;

- концентрация раствора.

Соотношение (7.19) называется уравнением Вант-Гоффа. Из него следует, что осмотическое давление разбавленных растворов равно такому давлению, которое оказывало бы при данной температуре растворенное вещество, находясь в газообразном состоянии и занимая объем раствора.

Закон Генри.

В идеальном растворе давление пара летучего компонента согласуется с законом Рауля.

Обнаружено, что в неидеальных растворах давление пара летучего растворенного вещества линейно зависит от его количества, находящегося в низких концентрациях, но эта прямая не совпадает с линией, соответствующей закону Рауля.

В этом случае давление пара растворенного вещества (например, газа) подчиняется уравнению:

Р = Г N, (7.18)

где Р - давление газа над раствором;

Г - некоторая константа (постоянная Генри);

N - мольная доля газа в растворе.

Уравнение (7.18) - математическая форма записи закона Генри[2].

В случае диссоциации растворенного вещества:

Р = Г Nn, (7.19)

где n - отношение молярной массы вещества в газообразном состоянии к молярной массе продук

та диссоциации в растворе (закон Сивертса).

Например, растворение азота в жидком железе сопровождается диссоциацией его молекул:

,

поэтому , Г = f (T).

Закон распределения.

Оказывается, что если в системе, состоящей из двух несмешивающихся жидкостей, находится третье вещество, то оно перераспределяется между этими жидкостями.

Для каждой из жидкостей справедлив закон Генри, поэтому Р = Г1N1 и Р = Г2N2 Г1N1 = = Г2N2.



Окончательно:

, (7.20)

где К - константа распределения растворяемого вещества, зависящая от температуры.

Соотношение (7.20) называется законом распределения: при постоянной температуре отношение концентраций растворенного компонента в двух несмешивающихся жидкостях есть величина постоянная, не зависящая от количества растворенного вещества. При этом следует учитывать, что в форме (7.20) закон выполняется только для разбавленных растворов.

Закон распределения имеет огромное практическое значение. Например, распределение серы между шлаком и металлическим расплавом характеризуется отношением:

, (7.21)

где КS 4.

Очевидно любые способы снижения концентрации серы в шлаке приведут к понижению ее содержания в стали (например, скачивание шлака, увеличение его массы).

Один из наиболее эффективных методов глубокой очистки металлов от примесей - зонная плавка. Смысл ее основан на том, что примеси неравномерно распределяются (перераспределяются) между находящимися в контакте твердой и жидкой фазами. Количественная мера такого перераспределения - равновесный коэффициент распределения (КО):

, (7.22)

где СТВ, СЖ - концентрация примеси в твердой и жидкой фазах соответственно.

При рафинировании металла, имеющего форму стержня, производят расправление узкой части вблизи одного из концов стержня. При этом примесь частично переходит из твердой части стержня в жидкую. Постепенно перемещая зону расплавленного металла к противоположному концу стержня, можно вместе с этой зоной удаляется и часть примеси, если КО < 1.

Парциальные молярные


6522801445474247.html
6522902150743894.html
    PR.RU™