Osmotický tlak na červené krvinky
Mikrografy osmotického tlaku na červené krvinky
Osmotický tlak je tlak, který je třeba aplikovat na roztok, aby se zabránilo vnitřnímu proudění vody přes polopropustnou membránu. Je také definován jako minimální tlak potřebný k anulování osmózy.
Fenomén osmotického tlaku vzniká z tendence čistého rozpouštědla pohybovat se přes polopropustnou membránu do roztoku obsahujícího rozpuštěnou látku, vůči níž je membrána nepropustná. Tento proces má v biologii zásadní význam, protože membrána buňky je selektivní vůči mnoha rozpuštěným látkám, které se nacházejí v živých organismech.
Pro vizualizaci tohoto efektu si představte průhlednou trubici ve tvaru U se stejným množstvím vody na každé straně, oddělenou membránou na jejím dně, která je nepropustná pro molekuly cukru (vyrobená z dialyzačních trubic). Cukr byl přidán do vody na jedné straně. Výška vody na každé straně se bude měnit úměrně tlaku roztoků.
Osmotický tlak způsobuje zvýšení výšky vody v prostoru obsahujícím cukr, a to v důsledku přesunu čisté vody z prostoru bez cukru do prostoru obsahujícího cukrovou vodu. Tento proces se zastaví, jakmile se vyrovná tlak vody a cukrové vody směrem k oběma stranám membrány. (Viz Osmóza).
Jacobus Henricus van ‚t Hoff nejprve navrhl vzorec pro výpočet osmotického tlaku, ale ten byl později vylepšen Harmonem Northropem Morsem.[citace nutná]
Uvažujme systém v bodě, v němž dosáhl rovnováhy. Podmínkou pro to je, že chemický potenciál rozpouštědla (protože pouze ono může volně proudit směrem k rovnováze) na obou stranách membrány je stejný. Oddíl obsahující čisté rozpouštědlo má chemický potenciál . Na druhé straně má oddíl obsahující rozpuštěnou látku dodatečný příspěvek rozpuštěné látky (faktorovaný jako molekulární frakce rozpouštědla, < 1), ale objevuje se také přídavek tlaku. Rovnováha je tedy:
kde označuje vnější tlak, rozpouštědlo, molární frakci rozpouštědla a osmotický tlak vyvíjený rozpuštěnými látkami. Přidáním rozpuštěné látky se snižuje chemický potenciál (entropický účinek), zatímco tlak zvyšuje chemický potenciál, a tím je dosaženo rovnováhy.
Všimněte si, že přítomnost rozpuštěné látky snižuje potenciál, protože je menší než 1.
Odvození osmotického tlaku
Aby bylo možné najít , osmotický tlak, uvažujeme o rovnováze mezi roztok obsahující rozpuštěné a čisté vody.
Levou stranu můžeme napsat jako:
kde je koeficient aktivity rozpouštědla. Výrobek je také znám jako acitivita rozpouštědla, což je u vody aktivita vody . Přídavek k tlaku se vyjadřuje výrazem pro energii expanze:
kde je molární objem (m³/mol). Vložením výše uvedeného výrazu do rovnice chemického potenciálu pro celý systém a přeskupením dojdeme k:
Je-li kapalina nestlačitelná, molární objem je konstantní a integrál se stává . Proto můžeme získat rovnici s vysokou přesností
U čistých látek lze koeficient aktivity nalézt jako funkci koncentrace a teploty, ale v případě směsí jsme často nuceni předpokládat, že je 1,0, takže
U vodných roztoků je při stanovení molární frakce vody nutné vzít v úvahu ionizaci solí. Například 1 mol iontů NaCl na 2 moly iontů a molární frakce vody se odpovídajícím způsobem redukuje.
Historicky chemici zjistili, že výpočet přirozených logů je časově náročný, a proto použili molární koncentrace pro zředěné roztoky, jak je znázorněno níže. U tabulek se výše uvedené rovnice snadno používají a nabízejí mnohem větší přesnost v širším rozsahu koncentrací.
Osmotický tlak Π ideálního roztoku s nízkou koncentrací lze aproximovat pomocí Morseovy rovnice (pojmenované podle Harmona Northropa Morse):
Tato rovnice udává tlak na jedné straně membrány; celkový tlak na membránu je dán rozdílem tlaků na obou stranách. Všimněte si podobnosti výše uvedeného vzorce se zákonem ideálního plynu a také toho, že osmotický tlak není závislý na náboji částic. Tuto rovnici odvodil van ‚t Hoff.
Osmotický tlak je důležitý faktor ovlivňující buňky. Osmoregulace je mechanismus homeostázy organismu k dosažení rovnováhy v osmotickém tlaku.
Když je biologická buňka v hypotonickém prostředí, uvnitř buňky se hromadí voda, voda teče přes buněčnou membránu do buňky, což způsobuje její expanzi.
Potenciální osmotický tlak
Potenciální osmotický tlak je maximální osmotický tlak, který by se mohl vyvinout v roztoku, pokud by byl oddělen od destilované vody selektivně propustnou membránou. Je to počet rozpuštěných částic v jednotkovém objemu roztoku, který přímo určuje jeho potenciální osmotický tlak. Pokud se čeká na rovnováhu, osmotický tlak dosáhne potenciálního osmotického tlaku.