Osmose: Wat trekt water van hoge concentratie naar lage concentratie over membraan?

Abstract

Hoewel er vele theorieën zijn, is er nog steeds geen duidelijk beeld waarom osmose optreedt? Drie van dergelijke verklaringen zijn in dit artikel de revue gepasseerd diffusie door een veronderstelde water-concentratiegradiënt gebonden water verklaring en Van’t Hoff’s deeltjes verklaring. Geen van de mechanismen lijkt als zodanig een bijdrage te leveren aan het tot stand komen van osmose.

Algemeen

Osmose is een selectieve beweging van oplosmiddel uit een oplossing door een halfdoorlatend membraan dat twee oplossingen van verschillende concentraties scheidt. Het oplosmiddel beweegt van een gebied met een hogere concentratie naar een gebied met een lagere concentratie. Men kan ook zeggen dat osmose de beweging is van water over een semipermeabel membraan dat twee oplossingen van verschillende concentraties scheidt, van een gebied met een lagere concentratie oplosmiddel naar een gebied met een hogere concentratie oplosmiddel.

Osmosedruk is de externe druk die moet worden uitgeoefend om de stroom van water over het membraan te stoppen.

Semipermeabel membraan laat geen oplosmiddel door membraan toe.

De voor de hand liggende vraag die zich voordoet is hoe het oplosmiddel, gescheiden door een membraan dat permeabel is voor oplosmiddel, zich over het membraan verplaatst van een gebied met lagere osmotische druk naar hogere osmotische druk, waarbij de hydrostatische druk wordt overwonnen. Een beweging van oplosmiddel van een hogere concentratie naar een lagere concentratie impliceert dat water van een lagere osmotische druk naar een hogere osmotische druk beweegt.

Bij voorbeeld, in het onderstaande diagram worden de twee armen van de U-buis gescheiden door een semipermeabel membraan, waarbij de rechterarm oplossing bevat met een lagere concentratie van het oplosmiddel dan de linkerarm. Aanvankelijk is het niveau in beide armen van de U-buis gelijk. Wanneer de osmose begint, wordt het oplosmiddel van de rechterarm naar de linkerarm geduwd en wordt de oplossing omhoog geduwd, ook al is het membraan doorlatend voor oplosmiddel, totdat de osmotische druk in de rechterarm gelijk is aan de hydrostatische druk die door de linkerarm wordt uitgeoefend.

Wat drijft het oplosmiddel naar de linkerarm als er een oplosmiddeldoorlatend membraan tussen twee armen van de U-buis zit?

Zijn osmotische druk en hydrostatische druk additief? Of is het gewoon een effect van de dichtheid in de rechterarm van de U-buis. Als de osmose begint, concentreert de concentratie van het oplosmiddel aan de rechterarm zich, neemt de dichtheid toe en neemt tegelijkertijd de druk in de rechterarm toe, waardoor het oplosmiddel in de linkerarm wordt geduwd.

Hoewel er vele theorieën zijn, is er nog steeds geen duidelijk beeld van waarom osmose optreedt?

Volgende zijn enkele van de theorieën.

Concentratie van water

Een heel eenvoudige verklaring voor osmose is de verklaring van de concentratie van water – water in zuiver water is nu eenmaal geconcentreerder dan water in oplossingen, omdat het oplosmiddel enige ruimte in de oplossing moet innemen. De verdunning van water door opgeloste stof resulteert in een lagere concentratie van water aan de kant van het membraan met een hogere concentratie opgeloste stof, waardoor diffusie van water langs de hoge naar lage concentratiegradiënt optreedt. . Als dit waar is, dan zou de concentratie van water de richting van de osmose moeten kunnen voorspellen bij gebruik van verschillende opgeloste stoffen. Bijvoorbeeld, een 0,2 molal sucrose-oplossing heeft een waterconcentratie van 937 g/L en een 0,2 molal NaCl-oplossing heeft een veel hogere waterconcentratie-989 g/L. De sacharose-oplossing zou water moeten winnen van de NaCl-oplossing als de twee door een semipermeabel membraan gescheiden zouden zijn. Het aantal moleculen van NaCl en sucrose zou er niet toe moeten doen, alleen de waterconcentratie zou er toe moeten doen.

Maar het feit is dat een typische molale concentratie van sucrose met een lagere waterconcentratie dan dezelfde concentraties van NaCl, omdat sucrose een veel grotere molecule is dan NaCl meer water verdringt. Daarom lijkt de waterconcentratiegradiënt niet belangrijk te zijn.

Dus deze verklaring is onhoudbaar.

Bound water verklaring

Dit zegt dat elk hydrofiel oplosmiddel (zoals sucrose of NaCl) hydraterend water zal binden en verhinderen dat het vrij kan bewegen. Daarom heeft de kant van een semipermeabel membraan met zuiver water een hogere “vrije” waterconcentratie dan de kant met de opgeloste moleculen.

Als de verklaring van gebonden water waar zou zijn, dan zouden we verwachten dat een grotere massa hydrofiel opgeloste stof meer water zou binden. Ook zouden we bij het voorspellen van osmose zorgvuldig moeten kijken naar hoe hydrofiel het oplosmiddel is (dat wil zeggen, hoeveel watermoleculen het per molecuul bindt).

Het feitelijke standpunt is, dat het aantal aanwezige oplosmoleculen een overheersend effect heeft op osmose, en niet de hydrofiliteit van het oplosmiddel.

Dus, deze verklaring is uitgesloten.

Aantal deeltjes verklaring

Deze verklaring is gebaseerd op de Wet van Van’t Hoff. Volgens deze wet is voor een verdunde oplossing bij constante temperatuur de osmotische potentiaal evenredig met de concentratie van de opgeloste deeltjes. De grootte of de aard van de opgeloste deeltjes doet er niet toe. Zo zou bijvoorbeeld een klein natriumion hetzelfde osmotische effect hebben als een grote sucrose-molecule, en beide zouden gelijkwaardig zijn aan een zeer grote zetmeelmolecule. Dit betekent ook dat ioniserende stoffen zoals NaCl een groter osmotisch effect zouden moeten hebben dan niet-ioniserende stoffen zoals sucrose, omdat ze, wanneer ze ioniseren, meer deeltjes genereren. De Wet van Van’t Hoff verklaart osmose tot op zekere hoogte beter dan de twee eerdere verklaringen, maar het is een feit dat de Wet van Van’t Hoff een empirische relatie is, geen natuurkundige beschrijving van waarom osmose optreedt.

De bekendste uitdrukking voor de osmotische druk is hieronder Π = iMRT waarin Π de osmotische druk is in atm i = Van ’t Hoff factor van de opgeloste stof M = molaire concentratie in mol/L R = universele gasconstante = 0,08206 L-atm/mol-K T = absolute temperatuur in K De osmotische druk hangt af van de molaire concentratie van de opgeloste stof met de Van ’t Hoff factor. De factor van Van’t Hoff drukt de mate van associatie of dissociatie van opgeloste stoffen in oplossing uit. Het is het aantal deeltjes dat een opgeloste stof dissocieert in water. Voorbeeld: voor sucrose is het 1 en voor NaCl is het 2