Az ozmometria törvénye

A fizikai kémia során az ozmometria törvénye , amelyet van 't Hoff törvényének vagy ozmotikus nyomás törvényének is neveznek , az ozmózis jelenségére vonatkozó törvény . Jacobus Henricus van 't Hoff 1886-ban kijelentette, és 1901-ben megkapta az első kémiai Nobel-díjat "annak a rendkívüli szolgáltatásnak az elismeréseként, amelyet a kémiai dinamika és az ozmotikus nyomás törvényeinek felfedezésével nyújtott" .

Ez a törvény az egyik olyan törvény, amely a kémiai oldatok kolligatív tulajdonságaira vonatkozik , François-Marie Raoult 1878- ból fogalmazta meg a hármat : az ebulliometria , a kriometria és a tonometria törvényét ( Raoult törvényei ). Ez a négy törvény lehetővé tette különösen a vegyi anyagok moláris tömegének kísérleti meghatározására szolgáló módszerek kidolgozását .

Törvénynyilatkozat

Általános eset

Amikor egy tiszta oldószert , és egy oldatot a bármely oldott anyag ugyanabban az oldószerben vannak elhelyezve mindkét oldalán egy féligáteresztő membrán (amely lehetővé teszi csak az oldószert átengedi), az oldószert spontán módon vándorol át a membránon. A rekesz tartalmazza a tiszta oldószer az oldatot tartalmazó B rekesz (lásd az 1. ábrát ): ezt a jelenséget ozmózisnak nevezzük . Bizonyos idő elteltével az oldószer migrációja megszűnik, és egyensúly alakul ki a két rekesz között. Ozmotikus egyensúly esetén a membrán nagyobb nyomáson megy keresztül az oldatból, mint a tiszta oldószerből; az oldószer így az alacsonyabb nyomású rekeszből, az A rekeszből a nagyobb nyomás, a B rekesz felé vándorol .

Van 't Hoff törvénye lehetővé teszi az oldatot tartalmazó rekesz által kifejtett többletnyomás kiszámítását nagyon híg oldatok esetén az alábbiak szerint:

Van 't Hoff törvénye vagy az ozmometria törvénye:

val vel:

  • A ozmózisnyomás (Pa-ban), azaz a kiegészítő kifejtett nyomás a membrán által a megoldás a B rekeszbe, viszonyítva a tiszta oldószer a rekesz  ;
  • az oldat térfogata a B rekeszben (m 3 -ben );
  • az oldott oldott anyag mennyisége (vagy molszáma ) (molban);
  • az ideális gázok univerzális állandója (J / (K · mol));
  • a hőmérséklet (K-ban).

E törvény formája emlékeztet az ideális gázokra . Teljesen független az oldószer és az oldott anyag belső tulajdonságaitól. A működési körülményektől függetlenül ezért mindig az oldatot tartalmazó B rekesz gyakorolja a legnagyobb nyomást a membránra.

A koncentrációtól függően

Figyelembe véve az oldott anyag moláris koncentrációját a B rekeszben, a következő összefüggéssel:

írhatunk még:

Az ozmometria törvénye:

Ha a két rekesz oldott anyag oldatát tartalmazhatja, amely ugyan eltérő lehet, de ugyanabban az oldószerben van, akkor a membránra gyakorolt ​​összes ozmotikus nyomás megegyezik a két oldat által kifejtett ozmotikus nyomások különbségével. Észrevettük :

  • az oldott anyag koncentrációja az A rekeszben (mol / m 3 -ben );
  • az oldott anyag koncentrációja a B rekeszben (mol / m 3 -ben );
  • a koncentrációs oldatot tartalmazó A rekesz által kifejtett ozmotikus nyomás, ha a B rekesz tiszta oldószert tartalmaz;
  • a koncentrációs oldatot tartalmazó B rekesz által kifejtett ozmotikus nyomás, amikor az A rekesz tiszta oldószert tartalmaz;

val vel:

A teljes ozmotikus nyomást fejtünk ki a membránon, amikor a két rekesz egy oldatot egyenlő, figyelembe rekesz B referenciaként közegben (például a citoplazmában egy sejt a biológiában , lásd a 2. ábrát ):

Három eset merül fel:

  • ha a B rekesz koncentrációja kisebb, mint az A rekesz volt , akkor a membránra és az ozmózisra legnagyobb nyomást gyakorló A közeg B-től A-ig történik; az A közeget hipertóniásnak nevezzük a B táptalajhoz képest  ;
  • ha a membrán mindkét oldalán a koncentráció megegyezik, az ozmotikus nyomás nulla és nincs ozmózis; A közeget egy mondják izotóniás képest a B tápközegen  ;
  • ha a B rekesz koncentrációja nagyobb, mint az A rekesz koncentrációja, akkor van egy B közeg, amely a legnagyobb nyomást gyakorolja a membránra, és az ozmózist A-ból B-be hajtják végre; az A táptalajt hipotonikusnak mondják a B táptalajhoz képest .

A molalitástól függően

Az ozmometria törvénye kifejezhető az oldott anyag molalitásának függvényében is , amely az oldott anyag mennyiségét jelenti 1  kg oldószerre vonatkoztatva (mol / kg):

Az ozmometria törvénye:

azzal a sűrűsége a tiszta oldószer hőmérsékleten (kg / m 3 ).

Demonstráció

Definíció szerint a molalitás :

val vel:

  • az oldószer tömege (kg-ban);
  • az oldott anyag mennyisége (mol).

Ennek eredményeként írhatunk:

Mivel feltételezzük, hogy az oldott anyag csak elhanyagolható mértékben járul hozzá az oldat tulajdonságaihoz, az arány összehasonlítható a tiszta oldószer sűrűségével azonos hőmérsékleten:

 

Diszociatív oldott anyaghoz

Ha az oldott anyag disszociál a folyékony oldatban, például egy ionokban disszociáló só, akkor a törvény kifejezését van 't Hoff tényező módosítja  :

Van 't Hoff törvénye vagy az ozmometria törvénye:

Demonstráció

Ez a törvény csak a következő feltételezések alapján érvényes:

A fázisegyensúlyban megfigyeltekkel ellentétben (például folyadék-gőz egyensúly esetén) az ozmotikus egyensúly elérhető, miközben a két A és B fázis által a membránra kifejtett nyomás különbözik (lásd 1. ábra ). Van:

  • az A rekeszben az oldószer által a membránon kifejtett nyomás;
  • a B rekesz oldatának a membránra gyakorolt ​​nyomása;
  • a tiszta oldószer kémiai potenciálja ;
  • az oldószer kémiai potenciálja az oldatban.

Ezután ozmotikus egyensúlyban megegyezik az A tiszta oldószerének és a B oldatban azonos oldószer kémiai potenciáljának egyenlősége :

( 1 )

Ez az egyensúly az oldószer mólfrakciójának hőmérsékletén a B rekeszben, megírható az oldószer kémiai potenciálja, tekintve, hogy az oldat ideális  :

átírjuk az ( 1 ) relációt :

( 2 )

Tehát, ha az oldószer tiszta a B rekeszben, vagyis megvan , ami ezt előírja  : Megtaláljuk a normál egyensúlyi állapotot két azonos tartalmú rekesz között, nevezetesen azt, hogy a membrán mindkét oldalán azonos a nyomás.

A Gibbs-Duhem összefüggés megadja a tiszta oldószer kémiai potenciáljának változását állandó hőmérsékleten:

azzal a moláris mennyiség a tiszta oldószer. Ezért integrálhatunk egy kis nyomásváltozást figyelembe véve, amelynél a moláris térfogat állandónak tekinthető:

Ezért átírhatjuk a ( 2 ) relációt :

( 3 )

Figyelembe véve, hogy az oldott anyag mennyisége elhanyagolható a B rekesz oldatában lévő oldószer mennyiségéhez képest :

vagy az oldott anyag moláris frakciója:

majd korlátozott fejlesztéssel  :

átírjuk a ( 3 ) relációt :

Ugyanezen oknál fogva úgy tekinthetjük, hogy ez az oldat térfogata a B rekeszben. Végül megkapjuk az ozmometria törvényét  :

Van 't Hoff törvénye vagy az ozmometria törvénye:

Alkalmazások

Oszmometria, az oldott anyag moláris tömegének meghatározása

Az ozmometria az oldott anyag molekulatömegének meghatározására szolgáló technika .

Két rekeszt veszünk figyelembe, amelyeket félig áteresztő membrán választ el egymástól (lásd 1. ábra ). Mindegyik rekesz függőlegesen emelkedő csővel van felszerelve, a két cső állandó gázegyensúlyban van. Az egyik rekeszt (A rekesz) tiszta sűrűségű oldószerrel töltjük , a másikat (B rekesz) ugyanabban az oldószerben oldott oldattal, tömegkoncentrációval ( az oldott anyag tömege oldat térfogatában ). A két rekeszt úgy töltjük meg, hogy a folyadékok kezdetben azonos magasságban legyenek a csövekben. Az oldószert vándorol ozmózissal a membránon keresztül a rekesz a B rekeszbe . Az ozmotikus egyensúly kialakulásakor a B csőben lévő folyadék magassága nagyobb, mint az A csőben lévő folyadék magassága . Megmérjük a két magasság közötti különbséget . Az ozmotikus nyomás érvényes .

Demonstráció

Észrevettük :

  • az oldott oldott anyag moláris koncentrációja ;
  • az oldott anyag oldott anyagának tömege ;
  • az oldott anyag moláris tömege ;
  • az oldott oldott anyag mennyisége ;
  • az oldat térfogata;
  • az oldott anyag oldott tömegkoncentrációja ;

kapcsolatokkal, definíció szerint:

Az ozmometria törvénye:

ezért lehetővé teszi, hogy írjon:

továbbá :

( A )

Feltételezzük, hogy az ozmózis révén a membránon átmenő oldószer mennyisége az A rekeszből a B rekeszbe elég alacsony ahhoz, hogy ne változtassa meg az oldott anyag kezdeti koncentrációját a B rekeszben (az indukált térfogatváltozás elhanyagolható).

Észrevettük :

  • a két cső folyadék-gáz interfészének közös nyomása;
  • és a megfelelő folyadékmagasság az A és a B csőben az ozmotikus egyensúlyban (with ).

Az oldott anyagot megfelelően oldottnak tekintjük, így az oldószer és az oldat sűrűsége azonos . A membrán mindkét oldalán az ozmotikus egyensúlyban kifejtett nyomás az A és a B rekeszre vonatkozik, a hidrosztatika törvénye alapján  :

Ezért:

( B )

val vel:

  • a gravitáció gyorsulása  ;
  • .

Az ( a ) és ( b ) összefüggésekkel megkapjuk:

Ha az így meghatározott két kifejezés jobb oldalán lévő kifejezéseket a nemzetközi egységrendszer egységeiben fejezzük ki, a kapott moláris tömeget kg / mol-ban fejezzük ki. A moláris tömegeket általában g / mol-ban kifejezve konverziós tényezőt kell bevezetni.  

Az oldott anyag moláris tömegét g / mol-ban az alábbiak szerint kapjuk meg:

Az oldott anyag moláris tömege:

A a gravitációs gyorsulás .

1. példaElőállítása 7,68 mg a β-karotin a kloroformos kész  . Az oldat térfogata 10  ml . A mért ozmotikus nyomás 3542  kPa át 25  ° C-on .Ezért SI egységekben  :
  • = 3542  Pa ,
  • = 10 × 10 −6  m 3 ,
  • = 298,15  K .
A β-karotin mennyisége: = 1,429 × 10 −5  mol A β-karotin tömege = 7,68 × 10-3 g . A β-karotin moláris tömege:  = 537  g / mol

Emlékeztetőül: a fent megadott képletek csak akkor érvényesek, ha az oldott anyag koncentrációja nagyon alacsony. Az ozmometria törvényének alkalmazási körének kiterjesztésére a nem ideális megoldásokra a képletet kibővítik virális egyenlet formájában  :

Az együtthatók nevezik együtthatók az ozmotikus Virial . Ez a kifejezés általában a második kifejezésnél csonka:

Ezután méréssorozatot készítünk állandó hőmérsékleten történő változtatással . A kapcsolatot ezután a függvényében ábrázoljuk (lásd a 3. ábrát ). A kapott egyenes szakaszt extrapoláljuk  : az origónál lévő ordináta érvényes, és lehetővé teszi annak meghatározását (figyelni kell a különböző mennyiségek mértékegységeire).

2. példaA ozmózisnyomása számos megoldást a PVC- ben ciklohexánban (sűrűsége 980 kg / m 3 ) mérjük 298  K ( 25  ° C ).A PVC-oldatok ozmotikus nyomása

(g / l)

(cm)

(cm l / g)
1.00 0,28 0,28
2.00 0,71 0,36
4.00 2.01 0,503
7.00 5.10 0,739
9.00 8.00 0,889
Megrajzoljuk a grafikont , és kapunk egy pozitív meredekségű vonalat, amelyre extrapolálunk (lásd a 3. ábrát ). A y-metszet így meghatározott egyenlő = 0,21  cm · l / g , amiből arra következtetünk, hogy = 1,2 × 10 5 g / mol . 

Fordított ozmózis, oldószeres tisztítás

Ugyanazt az eszközt vesszük figyelembe, mint az ozmometriában (lásd az 1. ábrát ), de a két cső közötti gázegyensúly megszűnik, ami lehetővé teszi a két rekesz különböző nyomásának alkalmazását. A nyomás az a kiegészítő nyomás, amelyet a B rekeszben, az oldatban kifejteni kell, hogy a B csőben lévő folyadék magassága elérje az A csőben lévő folyadék, a tiszta oldószer magasságát (lásd az ábrát). 4 ).

Demonstráció

Észrevettük :

  • az A rekesz égén kifejtett nyomás;
  • valamint a megfelelő folyadékmagasság az A és B csőben.

A nyomást a B rekesz égére gyakorolják. A membrán mindkét oldalán kifejtett nyomás az A és a B rekeszre érvényes:

Következésképpen:

 

Ez a fordított ozmózis elve  : az oldatot tartalmazó B rekeszben nagyobb nyomás kifejtésével, mint az oldószert tartalmazó A rekeszben , amelynek nyomáskülönbsége nagyobb, mint az ozmotikus nyomás, az oldószer áthalad a féligáteresztő membránon a B rekeszből a rekesz , tehát az ozmózissal ellentétes irányban. Ez lehetővé teszi az oldószer extrakcióját és tisztítását. A reverz ozmózist különösen a tengervíz sótalanításakor használják: a tengervíz ozmotikus nyomása (3 tömeg% nátrium-klorid a vízben) 25  bar, a sótalanítást 40 és 80  bar közötti nyomáson végezzük . A másik rekeszből kis nyomáson kivont víz lágy és iható.

Megjegyzések és hivatkozások

Megjegyzések

  1. Larousse szótár, „  Osmométrie  ” , a Larousse.fr webhelyen (hozzáférés : 2020. november 16. ) .
  2. Kotz és mtsai. 2006 , p.  35.
  3. Atkins 1998 , p.  140.

Bibliográfia

  • A molekulatömeg meghatározása: MM emlékei. Avogadro, Ampère, Raoult, van 't Hoff, D. Berthelot , Gauthier-Villars,1938(bpt6k90412x), a Gallicán.
  • Paul Arnaud, Françoise Rouquérol, Gilberte Chambaud , Roland Lissillour, Abdou Boucekkine, Renaud Bouchet, Florence Boulc'h és Virginie Hornebecq, általános kémia: tanfolyam 330 kérdéssel és javított gyakorlattal, 200 MCQ-val , Dunod , coll.  "Paul Arnaud órái",2016, 8 th  ed. , 672  p. ( ISBN  978-2-10-074482-4 , online olvasás ) , p.  340-341.
  • Peter William Atkins és Julio De Paula, fizikai kémia , De Boeck Superieur,2013, 4 th  ed. , 1024  p. ( ISBN  9782804166519 , online olvasás ) , p.  173-176.
  • Peter William Atkins , a fizikai kémia elemei , De Boeck Supérieur,1998, 512  p. ( ISBN  978-2-7445-0010-7 , online olvasás ) , p.  138-141.
  • Peter William Atkins, Loretta Jones és Leroy Laverman (  angol fordítás ), Principes de chimie , Louvain-la-Neuve, De Boeck Superieur,2017, 4 th  ed. , 1088  p. ( ISBN  978-2-8073-0638-7 , online olvasás ) , p.  390-393.
  • Mohamed Ayadim és Jean-Louis Habib Jiwan, általános kémia , Louvain, Louvain-i Egyetemi Nyomda , koll.  "Egyetemi tanfolyamok",2013, 376  p. ( ISBN  978-2-87558-214-0 , online olvasás ) , p.  262-266.
  • Danielle Baeyens-Volant, Pascal Laurent és Nathalie Warzée, Megoldások kémiája: Gyakorlatok és módszerek , Dunod , koll.  "Általános kémia",2017, 320  p. ( ISBN  978-2-10-076593-5 , online olvasás ) , p.  33-36.
  • Jean-Pierre Corriou, Kémiai termodinamika: Definíciók és alapvető viszonyok , vol.  J 1025, Mérnöki technikák , koll.  «Dokumentum alap: Termodinamika és kémiai kinetika , Egység műveleti csomag . Kémiai reakciótechnika , kémia - bio-agro folyamategyetem  »,1984, 19  p. ( online olvasható ) , p.  19..
  • Claude Friedli , általános vegyészmérnököknek , Lausanne / Párizs, PPUR politechnikai sajtók,2002, 747  p. ( ISBN  2-88074-428-8 , online olvasás ) , p.  312-314.
  • John C. Kotz és Paul M. Treichel Jr (  angol fordítás ), Chemistry of solutions , Bruxelles / Issy-les-Moulineaux, De Boeck Supérieur, coll.  "Általános kémia",2006, 358  p. ( ISBN  978-2-8041-5232-1 , online olvasás ) , p.  34-36.
  • Claude Strazielle, Jellemzés a molekulatömegek meghatározásával , vol.  PE 595, mérnöki technikák ,1984( online olvasható ) , p.  1-5.

Lásd is