Файл: Болдырев, А. И. Физическая и коллоидная химия учеб. пособие.pdf

д-j, т. e. раствор является более концентрированным у дна сосуда. В на­ ймем случае градиент концентрации, т. е. изменение концентрации, приходящееся на единицу расстояния, будет равно:

Знак минус в этом уравнении вызван тем, что Ct > С2.

На основании закона Фика количество растворенного вещества т, которое проходит за время t через воображаемую площадь поперечного сечения сосуда S, находящуюся посередине между концентрациями Сг и С2, будет равно:

где D — коэффициент диффузии, численно равный количеству вещест­ ва, диффундирующего за единицу времени через 1см2 поверхности раз­

где выражение mlt — скорость диффузии, т. е. количество растворен­ ного вещества т , проходящего в единицу времени t через площадь се­ чения S.

Из уравнения (III, 15) видно, что скорость диффузии возрастает при повышении температуры и градиента концентрации и уменьшается при увеличении вязкости среды и радиуса диффундирующих частиц. Отсюда следует, что вещества с большим молекулярным весом будут иметь сравнительно малые коэффициенты диффузии, что хорошо под­ тверждается данными табл. 26.

Явление диффузии играет чрезвычайно важную роль в жизнедея­ тельности организмов, в процессах перемещения питательных веществ и продуктов обмена в тканевых жидкостях. В живых организмах диф­ фузия тесно связана с другими биологическими явлениями. Скорости многих физико-химических процессов в организме зависят в конечном счете от скорости диффузии, т. е. от скорости «доставки сырья» для этих реакций. В свою очередь диффузия в живых организмах регулируется

— 120 —

функциональным состоянием тканей и зависит от их физико-химиче­ ского строенйя.

Диффузия может проходить также, если на границе раствора и чи­ стого растворителя (или двух растворов различной концентрации) по­ местить полупроницаемую перегородку — мембрану. Полупроницае­ мые перегородки способны пропускать только молекулы растворителя и не пропускают молекулы растворенного вещества. Свойством полу­ проницаемости обладают многие природные пленки (стенки клеток

пергамент, пленки из коллодия, желатины). Односторонняя само­ произвольная диффузия молекул растворителя через полупроницае­ мую мембрану в раствор или из раствора с низкой концентрацией в раствор с высокой концентрацией называется осмосом.

Процесс осмоса очень сложен и природа его в настоящее время еще недостаточно выяснена.

Механизм осмоса может быть различен и зависит в основном от при­ роды мембраны. В одних случаях мембрана взаимодействует с раство­ рителем, образуя с ним непрочные соединения промежуточного харак­ тера. В других случаях через мембрану могут свободно проходить только те вещества, которые обладают способностью растворяться в ней. Мембрана может представлять собой просто пористую перего­ родку с порами определенного размера. Осмос можно наблюдать в спе­ циальных приборах, которые называются осмометрами. Простейшая схема осмометра приведена на рис. 45. Основной его деталью является осмометрическая ячейка 1, отделенная от сосуда 2 с чистым раство­ рителем полупроницаемой мембраной, пропускающей только молекулы растворителя, но не растворенного вещества. Ячейку с концентрирован­ ным раствором погружают в сосуд с растворителем —менее концентри­ рованным раствором. Спустя некоторое время отмечается значительное повышение уровня жидкости в трубке. Объясняется это тем, что с по­ верхностью мембраны снизу сталкивается больше молекул раствори­ теля, чем сверху, так как /сверху часть поверхности занята также мо­ лекулами растворенного вещества, не проникающего сквозь мембрану. Поэтому в единицу времени вверх переходит значительно больше молекул растворителя, чем в обратном направлении.

— 121 —

При данной концентрации растворенного вещества осмотическое давление пропорционально абсолютной температуре (аналогия с за­ коном Гей-Люссака':

При одинаковой температуре и одинаковой концентрации различ­ ные вещества имеют одно и то же осмотическое давление (аналогия с законом Авогадро). Объединив эти законы, он получил уравнение состояния для осмотического давления (уравнение Вант-Гоффа):

которое по форме совпадает с уравнением Клапейрона — Менделеева. В этом уравнении П — осмотическое давление раствора, m — число молей растворенного вещества, С = m!V — молярная концентрация растворенного вещества, Т — абсолютная температура, R — универ­ сальная постоянная, не зависящая от вида растворителя и численно равная газовой постоянной (8,31 н • м/град • моль).

Точные измерения осмотического давления растворов показали, что чем ниже концентрация С, тем точнее соблюдается уравнение Вант-Гоффа. Это уравнение для большинства растворов соблюдается при концентрациях не выше 1 • 10~2'кмоль/м3. При более высоких кон­ центрациях отклонения от закона Вант-Гоффа легче учитывать, если вместо объемно-молярной концентрации С употреблять моляльную т’\

Объединенный закон Вант-Гоффа имеет следующую формулировку:

осмотическое давление разбавленного раствора равно тому газовому давлению, которое производило бы растворенное вещество, если бы оно в виде газа при той же температуре занимало тот же объем, что

и раствор.

Таким образом, для осмотического давления в истинных растворах низкомолекулярных веществ имеет значение только число растворен­ ных частиц, но не их вес, размеры или форма.

Осмос имеет большое значение в процессах жизнедеятельности жи­ вотных и растений. Он обусловливает поднятие воды по стеблю расте­ ния, рост клетки и многие другие явления. Осмотическое давление в клетках обусловливает их своеобразную упругость и эластичность, а также способствует сохранению определенной формы стеблями и листьями растений. Каждая живая клетка имеет либо оболочку, либо поверхностный слой протоплазмы, обладающие свойством полупро­ ницаемости. Если клетку поместить в раствор, концентрация которого равна концентрации клеточного сока, то состояние клетки не изменит­ ся, так как осмотическое давление в клетке и в растворе одинаково.

— 123 -