Presión osmótica

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Presión osmótica (indicada como π ) - exceso de presión hidrostática en una solución (por ejemplo, oxígeno y eritrocitos en la sangre), separada de un solvente puro por una membrana semipermeable , en la cual se detiene la difusión del solvente a través de la membrana ( ósmosis ). Esta presión tiende a igualar las concentraciones de ambas soluciones debido a la contradifusión de las moléculas de soluto y solvente.

Una medida del gradiente de presión osmótica, es decir, la diferencia en el potencial hídrico de dos soluciones separadas por una membrana semipermeable, se denomina tonicidad . Una solución que tiene una presión osmótica más alta en comparación con otra solución se llama hipertónica , y una que tiene una presión osmótica más baja se llama hipotónica .

Si dicha solución se encuentra en un espacio cerrado, por ejemplo, en una célula sanguínea , la presión osmótica puede provocar la ruptura de la membrana celular. Por esta razón , los fármacos destinados a la administración intravenosa se disuelven en una solución isotónica que contiene tanto cloruro de sodio (sal de mesa) como sea necesario para equilibrar la presión osmótica creada por el líquido celular. Si los fármacos inyectados se hicieran en agua o en una solución muy diluida ( hipotónica en relación con el citoplasma ), la presión osmótica, al obligar al agua a penetrar en las células sanguíneas, provocaría su ruptura. Si se introduce en la sangre una solución demasiado concentrada de cloruro de sodio (3-10%, soluciones hipertónicas), saldrá agua de las células y se encogerán. En el caso de las células vegetales se produce el desprendimiento del protoplasto de la pared celular , lo que se denomina plasmólisis . El proceso inverso, que ocurre cuando las células que se encogen se colocan en una solución más diluida, es, respectivamente, la desplasmólisis .

Ecuación de Van't Hoff

La magnitud de la presión osmótica creada por una solución depende de la cantidad, y no de la naturaleza química de las sustancias disueltas en ella (o iones , si las moléculas de la sustancia se disocian), por lo tanto, la presión osmótica es una propiedad coligativa de la solución _ Cuanto mayor es la concentración de una sustancia en una solución , mayor es la presión osmótica que crea. Esta regla, llamada ley de la presión osmótica, se expresa mediante una fórmula simple, muy similar a la ecuación de estado de un gas ideal :

\pi =i\cdot C\cdot R\cdot T

donde i es el coeficiente isotónico de la solución; C es la concentración molar de la solución, expresada en términos de una combinación de unidades SI básicas , es decir, en mol/m³; R es la constante universal de los gases ; T es la temperatura termodinámica de la solución.

Esto también muestra la similitud de las propiedades de las partículas de un soluto en un medio viscoso de un solvente con las partículas de un gas ideal en el aire . La validez de este punto de vista es confirmada por los experimentos de J. B. Perrin ( 1906 ): la distribución de partículas de emulsión de goma de mascar en la columna de agua obedecía generalmente a la ley de Boltzmann .

La presión osmótica, que depende del contenido de proteínas en la solución, se denomina oncótica (0,03-0,04 atm). Con el ayuno prolongado, la enfermedad renal, la concentración de proteínas en la sangre disminuye, la presión oncótica en la sangre disminuye y se produce edema oncótico : el agua pasa de los vasos a los tejidos, donde π ONC es mayor. Con procesos purulentos, π ONC en el foco de inflamación aumenta de 2 a 3 veces, ya que la cantidad de partículas aumenta debido a la destrucción de proteínas .

En el cuerpo, la presión osmótica debe ser constante (alrededor de 7,7 atm). Por ello, las soluciones isotónicas suelen utilizarse para administración intravenosa (soluciones cuya presión osmótica es π plasmática ≈ 7,7 atm. (0,9 % NaCl - solución salina, solución glucosada al 5 % ). Las soluciones hipertónicas en las que π es mayor que π plasmática , se utilizan en medicina para limpiar heridas de pus (10% NaCl ), para eliminar edemas alérgicos (10% CaCl 2 , 20% glucosa ), como laxantes ( Na 2 SO 4 ∙10H 2 O , MgSO 4 ∙7H 2 O ).

La ley de la presión osmótica se puede utilizar para calcular el peso molecular de una sustancia dada (con datos adicionales conocidos).

Ecuación de Haller

El valor de la presión osmótica de los compuestos macromoleculares determinado experimentalmente es mayor que el teórico, determinado por la fórmula de van't Hoff . Este fenómeno se explica por la relativa independencia del movimiento térmico de cada parte de la macromolécula y se describe mediante la ecuación de Haller: [1] ${\ estilo de visualización \ pi = crt}$

$\pi ={\frac {RT}{M}}c+\beta c^{2}$

Aquí: es la concentración de una solución de un compuesto macromolecular (g/l), es la masa molar (g/mol), es el coeficiente que tiene en cuenta la flexibilidad y fórmula de la macromolécula en solución, R es el gas universal constante , T es la temperatura termodinámica de la solución. $C$ $METRO$ $\beta$

A bajas concentraciones, la fórmula de Haller se convierte en la fórmula de van't Hoff. $C$

Justificación de la fórmula de van't Hoff desde posiciones termodinámicas

En una solución, la energía libre es , donde es la parte molar de la solución, es su volumen molar. La aparición del término equivale a la introducción de una presión externa en la energía libre. para disolvente puro . En el equilibrio para el solvente es cero. De este modo, $G=G^{0}+RT\ln x_{A}+\pi V_{C}$ $x_{A}$ $V_{C}$ ${\ estilo de visualización \ pi V_ {C}}$ ${\ estilo de visualización G = G ^ {0}}$ ${\ estilo de visualización \ nabla G}$

0=\nabla G=G^{0}+RT\ln x_{A}+\pi V_{C}-G^{0}=RT\ln x_{A}+\pi V_{C} ,

dónde:

\pi =-{\frac {RT}{V_{C}}}\ln(1-x_{B})\cong {\frac {RT}{V_{C}}}x_{B}\ cong {\frac {RT}{V_{C}}}{\frac {n_{B}}{n_{A}}}\cong RT{\frac {n_{B}}{V}}=cRT,

es decir, se obtiene la fórmula de van't Hoff ( ). ${\ estilo de visualización \ pi = crt}$

Al derivarlo, se calculó que es un valor pequeño. Esto permite expandir en serie y luego aplicar la proporción . El producto en soluciones diluidas es casi igual al volumen de la solución. $x_B$ ${\ estilo de visualización \ ln (1-x_ {B})}$ $x_{B}\cong {\frac {n_{B}}{n_{A}}}.$ $n_{A}V_{C}$

Presión osmótica de soluciones coloidales

Para que se produzca la presión osmótica, se deben cumplir dos condiciones:

la presencia de una partición semipermeable (membrana);
la presencia de soluciones con diferentes concentraciones en ambos lados de la membrana.

La membrana es permeable a partículas (moléculas) de cierto tamaño, por lo que puede, por ejemplo, pasar selectivamente moléculas de agua a través de sus poros sin pasar moléculas de etanol. Para una mezcla gaseosa de hidrógeno y nitrógeno, el papel de una membrana semipermeable puede ser desempeñado por una delgada hoja de paladio a través de la cual el hidrógeno se difunde libremente, mientras que prácticamente no deja pasar el nitrógeno. utilizando una membrana de este tipo, es posible separar una mezcla de hidrógeno y nitrógeno en componentes separados.

Ejemplos sencillos y bien conocidos de membranas permeables al agua e impermeables a muchas otras sustancias disueltas en agua son el cuero, el pergamino y otros tejidos de origen animal y vegetal.

Pfeffer, utilizando un osmómetro , en el que se utilizó porcelana porosa tratada con Cu 2 Fe (CN) 6 como membrana semipermeable , investigó la presión osmótica de soluciones acuosas de azúcar de caña. Con base en estas medidas, van't Hoff propuso en 1885 una ecuación empírica que gobierna la presión osmótica de las soluciones diluidas: $\Pi$

{\ estilo de visualización \ pi = crt}

donde c=n/V es la concentración de la sustancia disuelta, mol/m 3 .

Esta ecuación coincide en forma con la ley de Boyle-Mariotte para gases ideales. Por lo tanto, la presión osmótica de las soluciones diluidas se puede definir como la presión que crearía el mismo número de moléculas del soluto si estuviera en forma de gas ideal y ocupase a una temperatura dada un volumen igual al volumen de la solución. .

La ecuación de van't Hoff se puede transformar un poco sustituyendo en lugar de concentración : $c_{i}=n_{i}/V=m_{i}/M_{i}V$

\pi =c_{i}RT={\frac {m_{i}}{M_{i}V}}RT

donde está la concentración de masa del soluto; es su peso molecular. $mi$ $Mi}$

De esta forma, la ecuación de van't Hoff se usa ampliamente para determinar la masa molar de un soluto. El método osmótico se usa a menudo para determinar las masas molares de compuestos macromoleculares (proteínas, polisacáridos y otros). Para ello, es suficiente medir la presión osmótica de una solución con una concentración conocida.

Si la sustancia se disocia en esta solución, entonces la presión osmótica será mayor que la calculada y se debe ingresar el coeficiente isotónico:

${\ estilo de visualización \ pi = icRT.}$

La ecuación de van't Hoff es válida solo para soluciones diluidas que obedecen la ley de Raoult. A concentraciones elevadas de soluciones en la última ecuación se debe reemplazar por actividad o fugacidad $c_{yo}$ $un_{1}$ ${\ estilo de visualización f_ {1}.}$

El papel de la ósmosis en los sistemas biológicos

El fenómeno de la ósmosis y la presión osmótica juegan un papel muy importante en los sistemas biológicos que contienen particiones semipermeables en forma de varios tejidos, incluidas las membranas celulares. La ósmosis constante de agua en las células crea un exceso de presión hidrostática, que proporciona fuerza y elasticidad a los tejidos, lo que se denomina turgencia .

Si una célula, como un glóbulo rojo, se coloca en agua destilada (o en una solución salina muy diluida), el agua penetrará en la célula y esta se hinchará. El proceso de hinchazón puede conducir a la ruptura de la membrana de los eritrocitos si se produce la llamada hemólisis.

El fenómeno inverso se observa si la célula se coloca en una solución salina concentrada: el agua de las células se difunde a través de la membrana hacia la solución salina. Al mismo tiempo, el protoplasma se despoja de su caparazón, la célula se encoge, pierde turgencia y firmeza, que le son características en su estado normal. Este fenómeno se denomina plasmólisis. Cuando las células plasmolizadas se colocan en agua, el protoplasma se hincha nuevamente y se restaura la turgencia en la célula. En este caso, ocurre la llamada deplasmólisis: esto se puede observar colocando flores que comienzan a marchitarse en el agua. Y solo en una solución isotónica, que tiene la misma concentración (o más bien, la misma presión osmótica con el contenido de la celda), el volumen de la celda permanece sin cambios.

Los procesos de asimilación de los alimentos, metabolismo están íntimamente relacionados con la diferente permeabilidad de los tejidos al agua y otras sustancias disueltas en ella.

La presión osmótica desempeña el papel de un mecanismo que suministra nutrientes a las células; en árboles altos, estos últimos alcanzan una altura de varias decenas de metros, lo que corresponde a una presión osmótica de varias atmósferas. Las células típicas formadas a partir de sacos protoplásmicos llenos de soluciones acuosas de varias sustancias (savia celular) tienen un cierto valor de presión, cuyo valor se mide en el rango de 0,4-2 MPa.

Véase también

Notas

↑ Yershov Yu. A., Popkov V. A., Berlyand A. S. Química general. Química biofísica. Química de los elementos biogénicos. - M. , Escuela Superior , 1993. - ISBN 5-06-002170-X . - Con. 540-541

Literatura

Detlaf A. A., Yavorsky B. M. Curso de física: Libro de texto para escuelas secundarias - M .: Higher School, 1989. - P. 113.
Yatsimirsky V. K. Química física. (en ucraniano)