اسمز و فشار اسمزی؛ حرکت آب از غشای نیمه‌تراوا تا اسمز معکوس

غشای نیمه‌تراوا شرط مشاهده اسمز است

غشای نیمه‌تراوا به بعضی ذره‌ها اجازه عبور می‌دهد و راه بعضی دیگر را می‌بندد. در مدل ساده محلول آبی، فرض می‌کنیم مولکول‌های آب می‌توانند از غشا بگذرند، اما ذره‌های حل‌شونده نمی‌توانند. اگر هم آب و هم حل‌شونده آزادانه عبور کنند، پخش‌شدن معمولی رخ می‌دهد و اختلاف اسمزی پایدار نمی‌ماند.

مولکول‌های آب در هر دو جهت از غشا عبور می‌کنند؛ اسمز به معنای توقف حرکت در یک سو نیست. آنچه مشاهده می‌کنیم «حرکت خالص» حلال از سمتی با غلظت کمتر ذره‌های حل‌شونده به سمتی با غلظت بیشتر آن‌هاست. در بیان دبیرستانی، آب از محلول رقیق‌تر یا آب خالص به سوی محلول غلیظ‌تر حرکت خالص دارد.

• حلال باید بتواند از غشا عبور کند
• حل‌شونده در مدل مسئله از غشا عبور نمی‌کند
• حرکت مولکول‌های آب دوطرفه است
• جهت خالص آب از رقیق‌تر به غلیظ‌تر است

جهت اسمز را با تعداد ذره‌های حل‌شونده تعیین کن

برای مقایسه دو محلول، فقط نام یا جرم ماده حل‌شده کافی نیست؛ باید تعداد ذره‌های حل‌شونده در حجم معین را بسنجیم. محلولی که ذره‌های حل‌شونده بیشتری دارد، در این مدل فشار اسمزی بیشتری ایجاد می‌کند و آب به طور خالص به سوی آن می‌رود.

تفکیک یونی نیز مهم است. یک مول گلوکز در آب تقریباً یک مول ذره حل‌شده می‌دهد، اما یک مول NaCl در مدل ایده‌آل به Na⁺ و Cl⁻ تفکیک و تقریباً دو مول ذره ایجاد می‌کند. بنابراین دو محلول هم‌مولار گلوکز و سدیم کلرید الزاماً اثر اسمزی یکسان ندارند. در محلول واقعی، برهم‌کنش یون‌ها می‌تواند نتیجه را از مقدار ایده‌آل دور کند.

• ملاک اصلی، غلظت مجموع ذره‌های حل‌شونده است
• نوع شیمیایی ذره در محلول ایده‌آل نقش مستقیم کمتری از تعداد آن دارد
• برای الکترولیت‌ها تعداد یون‌های حاصل را در نظر بگیر
• هم‌مولار بودن همیشه به معنی فشار اسمزی برابر نیست

فشار اسمزی مقدار فشار لازم برای توقف حرکت خالص آب است

ورود خالص آب به سمت محلول غلیظ‌تر، ارتفاع ستون مایع و در نتیجه فشار آن سمت را افزایش می‌دهد. این فشار با ادامه اسمز بیشتر می‌شود تا سرانجام اثر آن با تمایل اسمزی مقابله کند و حرکت خالص آب متوقف شود. فشار خارجی‌ای که اگر از ابتدا بر محلول وارد کنیم اسمز خالص را متوقف کند، فشار اسمزی و با نماد π نشان داده می‌شود.

برای محلول‌های رقیق و تقریباً ایده‌آل می‌توان از رابطه π = iMRT استفاده کرد. در این رابطه M مولاریته حل‌شونده، T دمای مطلق برحسب کلوین، R ثابت گازها و i ضریب وانت‌هوف یا تعداد مؤثر ذره‌های حاصل از هر واحد حل‌شونده است. برای گلوکز i تقریباً ۱ و برای NaCl در مدل تفکیک کامل تقریباً ۲ در نظر گرفته می‌شود.

• فشار اسمزی با نماد π نمایش داده می‌شود
• دما باید در رابطه برحسب کلوین باشد
• افزایش M یا T در مدل ایده‌آل π را افزایش می‌دهد
• ضریب i اثر تعداد ذره‌های حاصل از حل‌شونده را وارد می‌کند

فشار اسمزی را با فشار هیدروستاتیکی اشتباه نگیر

فشار اسمزی خودِ فشاری نیست که آب هنگام عبور به غشا وارد می‌کند؛ یک کمیت تعادلی است که فشار لازم برای متوقف‌کردن اسمز خالص را بیان می‌کند. در آزمایش ستون مایع، بالا رفتن سطح محلول فشار هیدروستاتیکی می‌سازد و این فشار در حالت تعادل با اثر اسمزی مقابله می‌کند.

اسمز نیز با مکش یک‌طرفه یا تمایل ارادی محلول رخ نمی‌دهد. توصیف دقیق‌تر بر حرکت گرمایی ذره‌ها و اختلاف پتانسیل شیمیایی آب استوار است؛ در سطح دبیرستان، مقایسه غلظت ذره‌ها و توجه به امکان عبور از غشا برای تعیین جهت کافی است. در حالت تعادل، عبور مولکول‌های آب متوقف نمی‌شود و فقط شار خالص آن صفر است.

• π معیاری برای توقف اسمز خالص است
• اختلاف ارتفاع می‌تواند فشار هیدروستاتیکی ایجاد کند
• تعادل اسمزی پویاست
• صفرشدن حرکت خالص به معنی ساکن‌شدن مولکول‌ها نیست

اسمز معکوس با واردکردن فشار کافی رخ می‌دهد

در اسمز طبیعی، آب از سمت رقیق‌تر به سمت غلیظ‌تر حرکت خالص دارد. اگر بر سمت محلول غلیظ فشاری بیشتر از فشار اسمزی وارد کنیم، جهت حرکت خالص حلال برعکس می‌شود: آب از محلول غلیظ‌تر از غشا عبور می‌کند و ذره‌های نمک عمدتاً پشت غشا می‌مانند. این فرایند اسمز معکوس نام دارد.

دستگاه‌های آب‌شیرین‌کن اسمز معکوس فقط یک صافی ساده نیستند؛ پمپ باید فشار لازم را فراهم کند و ویژگی غشا، غلظت نمک، دما و گرفتگی سطح غشا بر عملکرد اثر می‌گذارند. خروجی نیز دو جریان است: آب با نمک کمتر و محلول غلیظ‌ترِ باقی‌مانده. پس نمک نابود نمی‌شود، بلکه از بخشی از آب جدا و در جریان دیگری متمرکز می‌شود.

• برای معکوس‌کردن جهت، فشار اعمالی باید از π بیشتر باشد
• فشار بر سمت محلول غلیظ وارد می‌شود
• غشا بیشتر نمک‌ها را نگه می‌دارد و آب را عبور می‌دهد
• فرایند جداسازی است و ماده را از بین نمی‌برد

مثال حل‌شده: فشار اسمزی محلول گلوکز

فشار اسمزی محلول 0.10 mol·L⁻¹ گلوکز را در 25 °C و با فرض رفتار ایده‌آل حساب می‌کنیم. گلوکز غیرالکترولیت است، پس i = 1 می‌گیریم. دما را به کلوین تبدیل می‌کنیم: T = 25 + 273 = 298 K. با R = 0.0821 L·atm·mol⁻¹·K⁻¹ داریم π = 1 × 0.10 × 0.0821 × 298.

نتیجه π ≈ 2.45 atm است. اگر در سوی دیگر غشا آب خالص باشد، برای جلوگیری از ورود خالص آب باید تقریباً همین فشار اضافی بر سمت محلول وارد شود. برای حرکت خالص آب در جهت معکوس، فشار اعمالی باید از این مقدار بیشتر باشد. واحدها نیز یکدیگر را حذف می‌کنند و atm باقی می‌ماند.

تمرین روشن و نکات کلیدی

تمرین: دو محفظه با غشایی جدا شده‌اند که فقط آب از آن می‌گذرد. سمت A محلول 0.20 مولار گلوکز و سمت B محلول 0.15 مولار CaCl₂ است. تفکیک کامل و رفتار ایده‌آل را فرض کن. در A غلظت مؤثر ذره‌ها 1 × 0.20 = 0.20 مولار است؛ در B، هر واحد CaCl₂ سه یون می‌دهد و غلظت مؤثر 3 × 0.15 = 0.45 مولار می‌شود.

پس فشار اسمزی سمت B بیشتر است و حرکت خالص آب از A به B خواهد بود. مسیر حل پرسش‌ها روشن است: عبورپذیری غشا را مشخص کن، غلظت هر حل‌شونده را به غلظت مؤثر ذره‌ها تبدیل کن، دو سمت را مقایسه کن و جهت آب را از فشار اسمزی کمتر به بیشتر بنویس. اگر فشار خارجی داده شده باشد، آن را نیز با اختلاف فشار اسمزی مقایسه کن.

• ابتدا مشخص کن کدام ذره از غشا عبور می‌کند
• برای مواد یونی ضریب تعداد ذره‌ها را لحاظ کن
• غلظت مؤثر دو طرف را در دمای یکسان مقایسه کن
• آب خالص را سمتی با غلظت حل‌شونده صفر در نظر بگیر
• برای محاسبه عددی، دما را به کلوین تبدیل کن
• در اسمز معکوس، محل واردشدن فشار را درست انتخاب کن