§ 80. Осмотическое давление

Если два раствора с различными концентрациями отделены друг от друга пористой перегородкой, то как растворитель, так и растворенное вещество будут переходить через эту перегородку до тех пор, пока оба раствора совершенно не перемешаются. Существуют, однако, и такие перегородки, которые обладают избирательной пропускной способ

ностью, т. е. пропускают одни вещества и не пропускают другие. Такие перегородки называют полупроницаемыми. К их числу относятся различные перепонки животного и растительного происхождения, коллодиевые пленки, перегородки из пористой глины или фарфора, в которых поры затянуты пленками ферроцианида меди (Cu2Fe(CN)e), и др. Все они пропускают воду и задерживают растворенные в ней вещества. Прохождение растворителя через такую перегородку называется осмосом.

Если два сосуда разделены полупроницаемой перегородкой (Я на рис. 4), причем в одном находится какой-либо раствор    (скажем,  раствор   сахара в воде), а во втором — чистая вода, то вода начнет переходить в сосуд с раствором; раствор как бы притягивает к себе растворитель. Так будет продолжаться до тех пор, пока не установится  определенная  разность  уровней  между  водой и раствором.

Давления в обоих сосудах будут теперь неодинаковы. В сосуде с раствором будет избыток давления, равный гидростатическому давлению избыточного столба жидкости в этом сосуде. Этот избыток давления называется осмотическим давлением раствора.

Легко понять происхождение этого явления. Поскольку через полупроницаемую перегородку может переходить только вода, равновесие жидкости в обоих сосудах не требует равенства полных давлений с обеих сторон перегородки. Равновесие установится, грубо говоря, когда давление в сосуде с чистой водой станет равным той части давления раствора, которое производится молекулами воды. При этом полное давление з растворе будет превышать давление в другом сосуде на величину, которую можно рассматривать как давление, производимое молекулами сахара,— это и есть осмотическое давление раствора.

Если раствор слабый, то молекулы растворенного вещества находятся, в общем, далеко друг от друга и потому лишь очень слабо взаимодействуют друг с другом (но, разумеется, взаимодействуют с молекулами растворителя). В этом отношении можно сказать, что молекулы

растворенного вещества в слабом растворе ведут себя аналогично молекулам идеального газа. Отсюда в свою очередь возникает ряд аналогий между свойствами слабых растворов и идеальных газов.

Мы знаем, что давление идеального газа определяется формулой p—NkT/V. Оказывается, что осмотическое давление росм слабого раствора выражается аналогичной формулой

где V — объем раствора, an — число молекул растворенного в нем вещества (формула Вант Гоффа).

Подчеркнем, что осмотическое давление слабого раствора (при заданных объеме и температуре) определяется только числом растворенных частиц и совершенно не зависит от их природы (как и от природы растворителя), аналогично независимости давления идеального газа от его природы. Для примера укажем, что осмотическое давление раствора с

концентрацией 0,1 равно 2,24 атм. Осмотическое давление морской воды около 2,7 атм.

Если мы имеем слабый раствор одновременно нескольких веществ в одном и том же растворителе, то согласно сказанному осмотическое давление такого раствора определяется общим числом всех растворенных частиц. Другими словами, оно равно сумме «парциальных» осмотических давлений отдельных растворенных веществ (аналогично закону Дальтона для газов). Это обстоятельство следует иметь в виду и в тех случаях, когда растворение сопровождается распадом (диссоциацией) молекул на части (об этом явлении будет идти речь в §§89—90). Осмотическое давление такого раствора зависит не только от общего количества растворенного вещества, но и от степени, в которой происходит распад его молекул.

Аналогия между слабым раствором и идеальным газом простирается и дальше. Так, распределение молекул растворенного вещества по высоте в поле тяжести определяется формулой, аналогичной барометрической формуле (§ 54). Это явление можно наблюдать особенно наглядно, если вместо обычного раствора пользоваться эмульсией, состоящей из взвешенных в жидкости маленьких частиц какого-либо

вещества. Поскольку масса таких частиц во много раз превышает массу отдельных молекул, то изменение их концентрации с высотой, как это видно из барометрической формулы, будет гораздо более резким и поэтому легко поддается непосредственному наблюдению. [При этом, конечно, в барометрическую формулу надо подставлять массу т частицы эмульсии, уменьшенную согласно закону Архимеда на массу т0 вытесняемой ею жидкости.]