Πώς να υπολογίσετε την ωσμωτική πίεση ενός διαλύματος

Artículo revisado y aprobado por nuestro equipo editorial, siguiendo los criterios de redacción y edición de YuBrain.

Tabla de Contenidos


Η ωσμωτική πίεση , που αντιπροσωπεύεται από το ελληνικό γράμμα pi ( π ), είναι μια συλλογική ιδιότητα των διαλυμάτων που αντιστοιχεί στην πίεση που πρέπει να εφαρμοστεί σε ένα διάλυμα για να σταματήσει η όσμωση . Το τελευταίο συνίσταται στη διέλευση του διαλύτη μέσω μιας ημιπερατής μεμβράνης από ένα πιο αραιό διάλυμα (ή από μια δεξαμενή καθαρού διαλύτη) σε ένα πιο συμπυκνωμένο.

Όντας μια συλλογική ιδιότητα, δηλαδή προέρχεται από τη συλλογική επίδραση των σωματιδίων που συνθέτουν ένα διάλυμα και όχι από τη φύση τους, η οσμωτική πίεση μπορεί να υπολογιστεί από τη γνώση της σύστασης του εν λόγω διαλύματος. Με άλλα λόγια, αν γνωρίζουμε από τι αποτελείται ένα διάλυμα και σε ποιες ποσότητες βρίσκονται όλα τα συστατικά, τότε μπορούμε να υπολογίσουμε την οσμωτική πίεση.

Στην επόμενη ενότητα, παρουσιάζονται τρία παραδείγματα υπολογισμού της οσμωτικής πίεσης σε διαφορετικές καταστάσεις:

  • Σε διαλύματα με μοριακή διαλυμένη ουσία ή χωρίς ηλεκτρολύτη.
  • Σε ηλεκτρολυτικά διαλύματα.
  • Σε διαλύματα με πολλές διαλυμένες ουσίες.

Σε οποιαδήποτε από αυτές τις περιπτώσεις, ο υπολογισμός της οσμωτικής πίεσης βασίζεται στη χρήση της ακόλουθης εξίσωσης:

Πώς να υπολογίσετε την ωσμωτική πίεση ενός διαλύματος

όπου π είναι η οσμωτική πίεση, R είναι η καθολική σταθερά του αερίου, T είναι η απόλυτη θερμοκρασία σε Kelvin και M είναι η μοριακή συγκέντρωση όλων των σωματιδίων ελεύθερων διαλυμένων ουσιών που υπάρχουν στο διάλυμα. Αυτή η τελευταία συγκέντρωση εξαρτάται από τον τύπο της διαλυμένης ουσίας ή των διαλυμένων ουσιών που υπάρχουν και βασικά αποτελείται από το άθροισμα των συγκεντρώσεων όλων των οσμωτικά ενεργών σωματιδίων, δηλαδή εκείνων που δεν μπορούν να διασχίσουν μια ημιπερατή μεμβράνη.

Στην περίπτωση των ουδέτερων μοριακών διαλυμένων ουσιών, δηλαδή εκείνων που δεν είναι ηλεκτρολύτες, το M είναι απλώς η μοριακότητα. Ωστόσο, στην περίπτωση των ηλεκτρολυτών, το M αντιπροσωπεύει το άθροισμα των συγκεντρώσεων των ιόντων που σχηματίζονται μέσω της διάστασης και των μορίων που παραμένουν αδιάσπαστα.

Δεδομένου ότι η συγκέντρωση των ιόντων και των αδιάσπαστων μορίων εξαρτάται από το βαθμό διάστασης, και αυτός καθορίζεται από τη σταθερά διάστασης και από την αρχική ή αναλυτική συγκέντρωση της διαλυμένης ουσίας, τότε η συνολική συγκέντρωση των οσμωτικά ενεργών σωματιδίων μπορεί να συσχετιστεί με την αρχική συγκέντρωση πολλαπλασιάζοντας με έναν παράγοντα γνωστό ως παράγοντας van’t Hoff, i,  ο οποίος δίνεται από:

Πώς να υπολογίσετε την ωσμωτική πίεση ενός διαλύματος

Αυτός ο παράγοντας μπορεί να προσδιοριστεί με διαφορετικούς τρόπους ανάλογα με τον τύπο της εν λόγω διαλυμένης ουσίας:

  • Για ισχυρούς ηλεκτρολύτες, αυτούς που διασπώνται πλήρως, ο παράγοντας van’t Hoff είναι ίσος με τον συνολικό αριθμό των ιόντων που διασπώνται, ανεξάρτητα από τα ηλεκτρικά τους φορτία.
  • Για ασθενείς ηλεκτρολύτες, αυτός ο παράγοντας μπορεί να προσδιοριστεί από τη σταθερά διάστασης, αλλά καταγράφεται επίσης σε πίνακα για διαφορετικές διαλυμένες ουσίες σε διαφορετικές θερμοκρασίες, κάτι που είναι πιο πρακτικό.
  • Στην περίπτωση διαλυμένων ουσιών χωρίς ηλεκτρολύτη ή μοριακών διαλυτών ουσιών, ο συντελεστής είναι απλώς 1.

Πολλαπλασιάζοντας τη μοριακότητα ή την αναλυτική συγκέντρωση του ηλεκτρολύτη με αυτόν τον παράγοντα έχει ως αποτέλεσμα την πραγματική συγκέντρωση των οσμωτικά ενεργών σωματιδίων που υπάρχουν στο διάλυμα, οπότε η οσμωτική πίεση παραμένει:

Πώς να υπολογίσετε την ωσμωτική πίεση ενός διαλύματος

Βήματα για τον υπολογισμό της ωσμωτικής πίεσης

Ο υπολογισμός της οσμωτικής πίεσης οποιουδήποτε διαλύματος μπορεί να συνοψιστεί στα ακόλουθα βήματα:

  • Βήμα 1: Εξάγετε τα δεδομένα από την πρόταση και πραγματοποιήστε τους απαραίτητους μετασχηματισμούς μονάδων.
  • Βήμα 2: Προσδιορίστε τον τύπο ή τις διαλυμένες ουσίες και την τιμή του συντελεστή ή του παράγοντα van’t Hoff.
  • Βήμα 3: Υπολογίστε την αρχική μοριακότητα ή τη μοριακή συγκέντρωση της διαλυμένης ουσίας(ών).
  • Βήμα 4: Χρησιμοποιήστε τον τύπο για να υπολογίσετε την οσμωτική πίεση.

Στη συνέχεια, παρουσιάζεται πώς να ακολουθήσετε αυτά τα βήματα για να υπολογίσετε την οσμωτική πίεση στις τρεις περιπτώσεις που αναφέρθηκαν παραπάνω.

Περίπτωση 1: Υπολογισμός της ωσμωτικής πίεσης διαλύματος μη ηλεκτρολυτών

δήλωση

Προσδιορίστε την οσμωτική πίεση στους 25,0 °C ενός διαλύματος που περιέχει 30,0 g γλυκόζης (C 6 H 12 O 6 ) διαλυμένη σε αρκετό νερό για να παραχθούν 150,0 mL διαλύματος.

Βήμα #1: Εξάγετε τα δεδομένα από την πρόταση και πραγματοποιήστε τους απαραίτητους μετασχηματισμούς μονάδων.

Στην περίπτωση αυτή δίνονται η θερμοκρασία, η μάζα της διαλυμένης ουσίας και ο όγκος του διαλύματος. Η θερμοκρασία πρέπει να μετατραπεί σε Kelvin και ο όγκος σε λίτρα (αφού θα υπολογιστεί η μοριακότητα).

Παράδειγμα για τον υπολογισμό της ωσμωτικής πίεσης ενός διαλύματος

Παράδειγμα για τον υπολογισμό της ωσμωτικής πίεσης ενός διαλύματος

Παράδειγμα για τον υπολογισμό της ωσμωτικής πίεσης ενός διαλύματος

Επίσης, εκτός κι αν έχουμε ήδη τον αριθμό των γραμμομορίων του, χρειαζόμαστε πάντα τη μοριακή μάζα της διαλυμένης ουσίας:

Παράδειγμα για τον υπολογισμό της ωσμωτικής πίεσης ενός διαλύματος

Βήμα 2: Προσδιορίστε τον τύπο ή τις διαλυμένες ουσίες και την τιμή του συντελεστή ή του παράγοντα van’t Hoff.

Η γλυκόζη είναι μια ουδέτερη μοριακή ένωση, που σημαίνει ότι δεν είναι ηλεκτρολύτης (δεν διασπάται στο διάλυμα). Για το λόγο αυτό, ο συντελεστής van’t Hoff είναι ίσος με 1.

Βήμα 3: Υπολογίστε την αρχική μοριακότητα ή τη μοριακή συγκέντρωση της διαλυμένης ουσίας(ών).

Εφόσον έχουμε τη μάζα της διαλυμένης ουσίας, τον όγκο του διαλύματος και τη μοριακή μάζα της διαλυμένης ουσίας, χρειάζεται μόνο να εφαρμόσουμε τον τύπο μοριακότητας:

Παράδειγμα για τον υπολογισμό της ωσμωτικής πίεσης ενός διαλύματος

Βήμα #4: Χρησιμοποιήστε τον τύπο για να υπολογίσετε την οσμωτική πίεση.

Τώρα έχουμε όλα όσα χρειαζόμαστε για να υπολογίσουμε την οσμωτική πίεση. Ανάλογα με τις μονάδες στις οποίες θέλουμε να υπολογίσουμε την πίεση, μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε διαφορετικές τιμές της ιδανικής σταθεράς αερίου. Για τους σκοπούς των περισσότερων από τους υπολογισμούς που πραγματοποιούνται στη χημεία και τη βιολογία, αυτή η πίεση υπολογίζεται σε ατμόσφαιρες, επομένως η ιδανική σταθερά αερίου χρησιμοποιείται σε αυτές τις μονάδες, δηλαδή 0,08206 atm.L/ mol.K:

Παράδειγμα για τον υπολογισμό της ωσμωτικής πίεσης ενός διαλύματος

Περίπτωση 2: Υπολογισμός της ωσμωτικής πίεσης διαλύματος ηλεκτρολύτη

δήλωση

Προσδιορίστε την οσμωτική πίεση στους 37,0 °C ενός διαλύματος που περιέχει 0,900 g χλωριούχου νατρίου (NaCl) ανά 100,0 mL διαλύματος.

Βήμα 1: Εξάγετε τα δεδομένα από την πρόταση και πραγματοποιήστε τους απαραίτητους μετασχηματισμούς μονάδων.

Σε αυτή την περίπτωση δίνονται πάλι η θερμοκρασία, η μάζα της διαλυμένης ουσίας και ο όγκος του διαλύματος. Και πάλι, η θερμοκρασία πρέπει να μετατραπεί σε Kelvin και ο όγκος σε λίτρα και η μοριακή μάζα της διαλυμένης ουσίας πρέπει να υπολογιστεί:

Παράδειγμα για τον υπολογισμό της ωσμωτικής πίεσης ενός διαλύματος

Παράδειγμα για τον υπολογισμό της ωσμωτικής πίεσης ενός διαλύματος

Παράδειγμα για τον υπολογισμό της ωσμωτικής πίεσης ενός διαλύματος

Παράδειγμα για τον υπολογισμό της ωσμωτικής πίεσης ενός διαλύματος

Βήμα 2: Προσδιορίστε τον τύπο ή τις διαλυμένες ουσίες και την τιμή του συντελεστή ή του παράγοντα van’t Hoff.

Το χλωριούχο νάτριο είναι ένας ισχυρός ηλεκτρολύτης που διασπάται πλήρως σε υδατικό διάλυμα. Η αντίδραση διάσπασης είναι:

Παράδειγμα για τον υπολογισμό της ωσμωτικής πίεσης ενός διαλύματος

Όπως μπορεί να φανεί, κάθε μονάδα τύπου NaCl δημιουργεί δύο ιόντα, ένα κατιόν νατρίου και ένα ανιόν χλωριδίου, και δεν παραμένει αδιάσπαστη μονάδα NaCl. Επομένως, για αυτήν τη διαλυμένη ουσία, ο συντελεστής ή ο παράγοντας van’t Hoff έχει τιμή 2.

Βήμα #3: Υπολογίστε την αρχική μοριακότητα ή τη μοριακή συγκέντρωση της διαλυμένης ουσίας(ών).

Όπως και στην προηγούμενη περίπτωση, έχουμε τη μάζα της διαλυμένης ουσίας, τον όγκο του διαλύματος και τη μοριακή μάζα της διαλυμένης ουσίας, οπότε η μοριακότητα δίνεται από:

Παράδειγμα για τον υπολογισμό της ωσμωτικής πίεσης ενός διαλύματος

Βήμα #4: Χρησιμοποιήστε τον τύπο για να υπολογίσετε την οσμωτική πίεση.

Αυτό το βήμα εκτελείται με τον ίδιο τρόπο όπως πριν. Και πάλι, θα υπολογίσουμε την οσμωτική πίεση στις ατμόσφαιρες:

Παράδειγμα για τον υπολογισμό της ωσμωτικής πίεσης ενός διαλύματος

Περίπτωση 3: Υπολογισμός της ωσμωτικής πίεσης διαλύματος με πολλές διαλυμένες ουσίες

δήλωση

Προσδιορίστε την οσμωτική πίεση στη μέση θερμοκρασία σώματος των 37°C ενός διαλύματος Ringer με γαλακτικό που έχει την ακόλουθη σύνθεση:

102,7 mM χλωριούχο νάτριο

27,8 mM γαλακτικό νάτριο (NaC 3 H 5 O 3 )

5,4 mM χλωριούχο κάλιο

1,8 mM διένυδρο χλωριούχο ασβέστιο.

Αυτό είναι ένα σημαντικό παράδειγμα υπολογισμού της οσμωτικής πίεσης, δεδομένου ότι οροί όπως το διάλυμα Ringer που αναφέρεται παραπάνω πρέπει να παρασκευάζονται με ειδική οσμωτική πίεση. Ορισμένα έχουν ρυθμιστεί να έχουν την ίδια οσμωτική πίεση με τον ορό αίματος, ενώ άλλα έχουν ρυθμιστεί να έχουν υψηλότερη ή χαμηλότερη οσμωτική πίεση, ανάλογα με τις συνθήκες του ασθενούς.

Βήμα 1: Εξάγετε τα δεδομένα από την πρόταση και πραγματοποιήστε τους απαραίτητους μετασχηματισμούς μονάδων.

Σε αυτή την περίπτωση, έχουμε μια λύση με τέσσερις διαφορετικές διαλυμένες ουσίες. Οι συγκεντρώσεις των διαλυμένων ουσιών παρέχονται απευθείας, αλλά σε μονάδες mM (millimolar) επομένως πρέπει να μετατραπούν σε μοριακότητα. Παρέχεται επίσης η θερμοκρασία, η οποία πρέπει να μετατραπεί σε Kelvin. Ο πρώτος μετασχηματισμός πραγματοποιείται διαιρώντας με το 1000.

Παράδειγμα για τον υπολογισμό της ωσμωτικής πίεσης ενός διαλύματος

Παράδειγμα για τον υπολογισμό της ωσμωτικής πίεσης ενός διαλύματος

Παράδειγμα για τον υπολογισμό της ωσμωτικής πίεσης ενός διαλύματος

Παράδειγμα για τον υπολογισμό της ωσμωτικής πίεσης ενός διαλύματος

Παράδειγμα για τον υπολογισμό της ωσμωτικής πίεσης ενός διαλύματος

Βήμα 2: Προσδιορίστε τον τύπο ή τις διαλυμένες ουσίες και την τιμή του συντελεστή ή του παράγοντα van’t Hoff.

Το χλωριούχο νάτριο, το γαλακτικό νάτριο και το χλωριούχο κάλιο είναι ισχυροί ηλεκτρολύτες που διασπώνται για να σχηματίσουν 2 ιόντα το καθένα, επομένως οι συντελεστές van’t Hoff τους είναι ίσοι με 2.

Στην περίπτωση του χλωριούχου ασβεστίου, η αντίδραση διάστασης είναι:

Παράδειγμα για τον υπολογισμό της ωσμωτικής πίεσης ενός διαλύματος

Εάν διασπαστεί πλήρως, θα παράγονται συνολικά 3 ιόντα, δίνοντας συντελεστή van’t Hoff 3. Ωστόσο, έχει προσδιοριστεί πειραματικά ότι αυτή η διαλυμένη ουσία δεν διασπάται πλήρως και ότι έχει συντελεστή ελαφρώς μικρότερο από 2, 7.

Βήμα 3: Υπολογίστε την αρχική μοριακότητα ή τη μοριακή συγκέντρωση της διαλυμένης ουσίας(ών).

Αυτό το βήμα δεν είναι απαραίτητο για αυτό το πρόβλημα, καθώς η δήλωση παρείχε όλες τις απαραίτητες συγκεντρώσεις.

Βήμα 4: Χρησιμοποιήστε τον τύπο για να υπολογίσετε την οσμωτική πίεση.

Όταν υπάρχουν πολλές διαλυμένες ουσίες, η συνολική οσμωτική πίεση αντιστοιχεί απλώς στο άθροισμα των συνεισφορών καθεμιάς από αυτές. Αυτό μπορεί να συνοψιστεί ως εξής:

Παράδειγμα για τον υπολογισμό της ωσμωτικής πίεσης ενός διαλύματος

όπου το άθροισμα είναι πάνω από όλες τις διαλυμένες ουσίες που υπάρχουν, είτε ηλεκτρολύτες είτε μη ηλεκτρολύτες. Το αποτέλεσμα αυτής της άθροισης είναι αυτό που είναι κοινώς γνωστό ως η ωσμωτικότητα του διαλύματος, δηλαδή η συνολική συγκέντρωση όλων των οσμωτικά ενεργών σωματιδίων.

Δεδομένου ότι έχουμε ήδη όλα τα απαραίτητα δεδομένα, όλα είναι θέμα εφαρμογής αυτού του τύπου για τον υπολογισμό της ωσμωτικής πίεσης:

Παράδειγμα για τον υπολογισμό της ωσμωτικής πίεσης ενός διαλύματος

Παράδειγμα για τον υπολογισμό της ωσμωτικής πίεσης ενός διαλύματος

βιβλιογραφικές αναφορές

Brown, T. (2021). Chemistry: The Central Science (11η έκδ.). Λονδίνο, Αγγλία: Εκπαίδευση Pearson.

Castro, S. (2019, 22 Φεβρουαρίου). Οσμωτική πίεση Τύπος και λυμένες ασκήσεις. Ανακτήθηκε από https://www.profesor10demates.com/2018/12/presion-osmotica-formula-y-ejercicios-resueltos.html

Chang, R., Manzo, Á. R., Lopez, PS, & Herranz, ZR (2020). Χημεία (10η έκδ.). Νέα Υόρκη, Νέα Υόρκη: MCGRAW-HILL.

Ίδρυμα Εκπαίδευσης και Έρευνας Υγείας της Περιφέρειας της Μούρθια. (ν). 2.-Βασικές αρχές όσμωσης και ωσμωτικής πίεσης. Υπολογισμός πλασματικής ωσμωτικότητας (OSMP). Ανακτήθηκε από http://www.ffis.es/volviendoalobasico/2principios_bsicos_de_la_smosis_y_la_presin_onctica_clculo_de_la_osmolalidad_plasmtica_osmp.html

Νέος. (ν). Ηλεκτρολύτες: van’t Hoff Factor | Πρωτόκολλο (Μετάφραση στα Ισπανικά). Ανακτήθηκε από https://www.jove.com/science-education/11371/electrolitos-factor-de-van-t-hoff?language=Ισπανικά

Tabazz, U. (2012, 20 Σεπτεμβρίου). Ηλεκτροχημεία. Ανακτήθηκε από https://www.slideshare.net/utabazz/electroquimica-14366482

-Διαφήμιση-

mm
Israel Parada (Licentiate,Professor ULA)
(Licenciado en Química) - AUTOR. Profesor universitario de Química. Divulgador científico.

Artículos relacionados