Ozmózis

A Wikipédiából, a szabad enciklopédiából
Hidratált ionok képződése

Az oldatokban az oldott anyagok a teljes térfogatban igyekszenek a teret homogénen betölteni, hasonlóan, mint ahogy a gázok a rendelkezésre álló tér egyenletes kitöltésére törekszenek. Ha ezt nem akadályozza semmi, akkor ez a homogenizálódás diffúzió útján valósulhat meg. A nem homogén – tehát inhomogén, vagy heterogén – rendszerben a komponensek kémiai potenciálja a hely függvényében nem azonos, ezért önként olyan folyamatok játszódnak le, amelyek az oldatokban és a gázokban is a komponensek egyenletes eloszláshoz vezethetnek (Transzportjelenség).

A féligáteresztő, sárga színű membránon csak a kisebb méretű részecskék juthatnak át

Az oldatokban az oldódó részecskék – molekulák, ionok – oldószer-molekulákat kötnek meg maguk körül, azaz szolvatálódnak (a vizes rendszerekben ezt a folyamatot hidratációnak nevezik). Ha híg az oldat, akkor az oldott részecskék körül szabadon kialakul a szolvátréteg és marad szabad oldószer-molekula, amely nem tartozik a szolvátburokhoz. A szolvatált részecskék – amelyeknek a mérete többszöröse mind az oldószer, mind pedig a nem szolvatált részecskék méretének – a diffúziós mozgás közben együtt mozognak a szolvátburokkal, egy mozgó egységet képeznek.

Ha a részecskék mozgását akadályozzuk, például féligáteresztő fal, vagy hártya választja el az oldatot a tiszta oldószertől, vagy egy hígabb oldattól, akkor csak a kisebb méretű részecskék – az oldószer molekulák – képesek a féligáteresztő rétegen átjutni, a nagy átmérőjű hidratált részecskék viszont nem. Ennek az lesz a következménye, hogy a töményebb oldat térfogata növekszik, a hígabb oldaté pedig csökken és a jelenség addig tart, amíg a két oldat koncentrációja ki nem egyenlítődik. Az ilyen koncentráció-kiegyenlítődési folyamatot nevezzük ozmózisnak.

Az ozmózis oka[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Az ozmózis oka az, hogy a kémiai potenciálkülönbség van az egymással érintkező két oldat komponensei között és az önként végbemenő kiegyenlítődés folyamán a részecskék méretviszonyai miatt a kisebb koncentrációjú oldat felől több oldószer-molekula jut időegység alatt a féligáteresztő hártyán keresztül a töményebb oldatba, mint onnét vissza a hígabb oldatba. Ennek az egyensúlyra vezető folyamatnak az eredményeként az oldott anyag kémiai potenciálja a töményebb oldatban csökken (a vízé pedig nő), a kisebb koncentrációjú oldatban pedig az oldott anyag kémiai potenciálja megnő (a vízé pedig csökken).

Az ozmózisnyomás és a fordított ozmózis[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Az ozmózis következtében az oldat folyadékszintje emelkedik, a koncentrációja csökken
Az ozmózis következtében a nagyobb koncentrációjú oldat „felhígul”, térfogata megnő

Megakadályozható ez az önként végbemenő folyamat, ha az oldat felől kellően nagy nyomással az oldószer molekulákat a féligáteresztő hártyán keresztül visszakényszerítjük a kisebb koncentrációjú oldatba. Ha a nyomás éppen akkora, hogy időegység alatt mindkét irányba ugyanannyi oldószer molekula halad át a féligáteresztő membránon, akkor kialakul egy dinamikus egyensúly. Azt a nyomást, amit ki kell fejteni, hogy ez a dinamikus egyensúly megvalósuljon, ozmózisnyomásnak nevezzük.

Ha a nyomás nagyobb, mint az egyensúlyt biztosító nyomás, akkor az oldószer ellentétes irányú áramlása alakul ki, ezt a jelenséget nevezzük fordított ozmózisnak.

Az ozmózisnyomás nagysága kiszámítható hidrosztatikai nyomás mérésével, a mellékelt ábrán látható kísérleti berendezésben. Az oldószer bejutása az oldatfázisba térfogat-növekedést okoz, ennek következményeként az edény függőleges csövében a folyadékszint fokozatosan emelkedik. Ez a folyadékoszlop nyomása ellene hat az oldószer beáramlásának. A folyadékszint a csőben addig emelkedik, ameddig a hidrosztatikai nyomás egyenlővé nem válik az ozmózisnyomással:

\pi = \rho gh\ .

Az összefüggésben:

π az ozmózisnyomás, Pa
ρ az oldat sűrűsége, kg/m³
g a nehézségi gyorsulás, 9,81 m/s²
h a folyadékoszlop magassága, m

Ha a készülék zárt térben van, akkor e tér telítődik az oldószer gőzével. A gőznyomáscsökkenés törvénye alapján az oldat felett – jelen esetben a cső felső részében – az oldat gőznyomása (pA) kisebb, mint a tiszta oldószer gőznyomása (pA*). Ha a féligáteresztő hártyán keresztül beáll az ún. ozmotikus egyensúly, akkor a gőztérben is egyensúlynak kell lenni. Ehhez az szükséges, hogy a tiszta oldószerből származó gőz nyomása h magasságban ugyanakkora legyen, mint az oldatból származó oldószergőz nyomása az oldat felszínén. Az oldószer feletti gőznyomás a magasság függvényében a pA* értékről a pA-ra csökken barometrikus nyomáscsökkenés törvényének

p_\mathrm A = p_\mathrm A^* \, e^{-M_\mathrm A gh/RT}

megfelelően. Logaritmizálva a kifejezést és a fenti ozmózisnyomást behelyettesítve a

\mathrm {ln} \frac {p_\mathrm A}{p_\mathrm A^*} = - \frac{M_\mathrm A gh}{RT}

kifejezést kapjuk, amiből az ozmózisnyomás:

\pi = \frac {RT\rho }{M_\mathrm A} \mathrm {ln} \frac {p_\mathrm A^*}{p_\mathrm A} \ .

A kifejezésekben:

pA az oldat feletti gőznyomás, Pa
pA* a tiszta oldószer feletti gőznyomás, Pa
MA Az oldószer moláris tömege, g/mol
R egyetemes gázállandó, 8,314 J/mol·K
T hőmérséklet, K
π ozmózis nyomás, Pa

Az ozmózisnyomásra kapott kifejezés egyszerűbb alakra hozható, ha az oldatok gőznyomására vonatkozó

p_A =x_\mathrm Ap_\mathrm A^*

Raoult-törvény alapján pA-t behelyettesítjük, és felhasználjuk a moltörtekre vonatkozó:

x_\mathrm A = 1-x_\mathrm B,  \mathrm{valamint}\  \mathrm {ln}(1-x_\mathrm B) \approx  -x_\mathrm B \

kifejezéseket:

\pi = \frac{RT \rho }{M_\mathrm A}x_\mathrm B \ .

A kifejezésekben:

xA az oldószer móltörtje
xB az oldott anyag móltörtje
MA az oldószer moláris tömege, g/mol

van 't Hoff-törvény[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Jacobus Henricus van 't Hoff (1852 – 1911) holland kémikus

Nem túl tömény oldatok esetén a móltört és a molaritás között fennáll a

x_\mathrm B = \frac{c_\mathrm B M_\mathrm A}{\rho}

összefüggés, amit behelyettesítve az ozmózisnyomásra a következő kifejezést kapjuk:

\pi = c_\mathrm BRT \ ,

c molaritás, mol/m³.

A moláris koncentráció reciprokát hígításnak nevezzük. Ennek segítségével az ozmózisnyomás

\pi V = RT \

alakban is felírható, ami nagyon hasonló a tökéletes gázokra vonatkozó általános gáztörvényhez. Bármely anyag ozmózisnyomása ugyanakkora, mint volna a gáz nyomása ugyanazon a hőmérsékleten, ha az oldatban rendelkezésre álló teret gáz alakban töltené ki. E törvény az ozmózisnyomásra vonatkozó van 't Hoff-törvény.

Az ozmózis gyakorlati szerepe[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Az ozmózisnyomásnak fontos gyakorlati jelentősége van például az élő szervezetekben. A növényi és állati sejtek jelentős része vizes oldat, amelyet olyan féligáteresztő (szemipermeábilis) hártya vesz körül, amely a vizet átengedi, a nedvekben oldott más anyagokat nem. Vízbe helyezve a sejtet az ozmózisnyomás következtében a víz behatol a sejtbe, a sejt megduzzad, esetleg szét is szakad. Ilyen folyamat eredménye például az érett gyümölcsök széthasadása sok eső esetén. A növényi nedvek ozmózisnyomása a 20 bart is elérheti. Ez teszi lehetővé, a nedvesség – s vele együtt a tápanyag – felszívódását a magas növények csúcsáig.

Az állati és az emberi szövetek sejtjeiben az ozmózisnyomás 8 bar körüli, s a szervezet igyekszik ezt állandó értéken tartani. Az állati sejteknek rugalmas a sejtfaluk, de ha azokat a sejtnedvnél kisebb ozmózisnyomású (hipotóniás) oldatba helyezzük, megduzzadnak, esetleg szétpattannak. Ha viszont a környező oldat ozmózisnyomása nagyobb (hipertóniás), akkor a sejt vizet veszít és zsugorodik. A túl sós ételek azért okoznak szomjúságot, mert a szervezet vízfelvétellel igyekszik a nagy ozmózisnyomás hatását csökkenteni. Az emberi szervezet sejtjeinek oldatai a 0,9% (n/n) nátrium-klorid oldattal azonos ozmózisnyomásúak (izotóniás oldatok), ezért használnak ún. fiziológiás NaCl-oldatot injekcióhoz, infúzióhoz és a gyógyászat más területén.

Nagyon fontos a szerepe az ozmózisnak a vér tisztítása, a hemodialízis terén. A dializátor nevű szűrőben kering a vér, a szűrőben levő speciális kapillárisok külső oldalán pedig egy testhőmérsékletre felmelegített, a vérnek megfelelő összetételű speciális sóoldat, az ún. dializáló oldat, és ebbe jutnak át a két teret elválasztó membránon keresztül a vérből a salakanyagok. A sóoldat állandóan cserélődik és mindig magával viszi, kimossa a méreganyagokat.

A membrán anyaga különböző lehet, kezdetben vékony celofánt használtak, ma a sokkal jobb szintetikus membránokat (poliszulfon, poliakril-nitril stb.) részesítik előnyben. A salakanyagok a dializátor kapillárisainak membránján szűrődnek ki, melyen nagyszámú finom lyuk van. Ezeken a kisméretű lyukakon a sók, a víz és méreganyagok átjutnak, de a nagyméretű anyagok és vérsejtek nem.

Számos ipari technológia, például a víz sótalanítása, a cukorgyártás elméleti alapját jelenti az ozmózisjelenség és vele összekapcsolódva a diffúziós folyamat.

Kapcsolódó szócikkek[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Fordított ozmózis
Transzportjelenség
Diffúzió

További információk[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Commons
A Wikimédia Commons tartalmaz Ozmózis témájú médiaállományokat.