Беседы о физике и технике

Глухов Николай Данилович

Заметим, что пленки или перегородки получили названия мембран. Они в настоящее время широко используются в лабораторной и промышленной технике. Отсюда и появились мембранные техника и технология.

Многочисленные эксперименты, поставленные в разное время, свидетельствуют, во-первых, о том, что установление направленного потока растворителя в раствор приводит к возникновению осмотического давления. Во-вторых, значение этого давления зависит от природы растворенных веществ, их концентрации и температуры.

ЕСЛИ ЕСТЬ

ДАВЛЕНИЕ, ЗНАЧИТ ЕГО МОЖНО И ИЗМЕРИТЬ?

Осмотическое давление измеряют осмометрами, т. е. специальными приборами, весьма разнообразными по конструкции.

Схема одного из них представлена на рис. 17.

Рис. 17. Схема осмометра

Здесь камера А, заполненная чистым растворителем, и камера Б, заполненная раствором, разделены полупроницаемой мембраной М. Уровень жидкости в камерах измеряется соединенными с ними трубками а и б.

Значение осмотического давления может быть определено как р = gh, где h — разность уровней в трубках а и б;  — плотность растворителя, g — ускорение силы тяжести в том месте Земли, где идет эксперимент. Следовательно, определение осмотического давления может быть осуществлено двумя методами: статическим (используя вышеприведенную формулу избыточного гидростатического давления по значению h) и динамическим.

Этот метод предусматривает подведение к трубке а такого внешнего давления, которое необходимо для поддержания одинаковых уровней в обеих трубках. Отсюда следует, что осмотическое давление может быть определено как такое внешнее давление, которое нужно приложить к раствору, чтобы процесс осмоса прекратился.

Теория показывает, что для достаточно разбавленных растворов осмотическое давление р может быть определено из закона, установленного голландским химиком Дж. Вант-Гоффом (1852–1911):

р = nkT, где n — концентрация молекул растворенного вещества; k — постоянная Больцмана; Т — термодинамическая температура.

Этот же закон может быть представлен и в другом виде:

р = CRT.

Здесь С — молекулярная концентрация раствора, R — универсальная газовая постоянная.

КАКОВА МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКАЯ ПРИРОДА ОСМОСА И ОСМОТИЧЕСКОГО ДАВЛЕНИЯ?

Как вы уже могли догадаться, она вытекает уже из самого определения осмоса как диффузии растворителя.

Действительно, если по обе стороны мембраны находятся отсеки

с чистой жидкостью, то число молекул, проходящих в обе стороны, одинаково и между обеими порциями растворителя устанавливается статистическое равновесие. Если же в одном из отсеков находится раствор, то число молекул растворителя, попадающих за единичное время на мембрану со стороны раствора, окажется меньше, чем со стороны чистого растворителя. Равновесие в этом случае нарушится и молекулы растворителя начнут перекачиваться в отсек с раствором.

СУЩЕСТВУЕТ ЛИ ОСМОС В ЕСТЕСТВЕННЫХ УСЛОВИЯХ ИЛИ ТОЛЬКО В ЛАБОРАТОРНЫХ ПРИБОРАХ?

Осмос и осмотическое давление играют огромную роль в процессах жизнедеятельности, в частности в явлениях распределения воды. Животные и растительные клетки представляют собой в сущности микроскопические осмотические системы. Осмотическое давление в клетках растений составляет 500—1000 кПа, а осмотическое давление крови человека — 746–776 кПа.

Падение осмотического давления в живых клетках (например, при обезвоживании организма) приводит их к сжатию (коллапсу), и, наоборот, обессоливание организма может привести к неравновесному разбуханию и разрыву клеток (осмотический шок).

Так, при сильных кровотечениях наступающий шок обусловлен не собственно потерей крови, а резким падением осмотического давления и сужением сосудов. Поэтому для восстановления осмотического давления и устранения шока пострадавшим от потери крови вводят инертные высокомолекулярные заменители вместо плазмы крови.

Осмотическое давление пресной воды в реках и озерах обычно меньше 100 кПа, для соленой воды морей и океанов оно в 25–35 раз больше этой величины, а для клеточного сока семян растений может достигать 10 МПа — вот почему семена высасывают необходимую для прорастания воду даже из очень сухой почвы.

Осмос широко используют не только в научной практике, но и в промышленных целях: существуют, например, осмотические методы определения молярной массы веществ, разделения газов, так как и для газовых смесей можно, как оказалось, подобрать осмотические ячейки с соответствующими мембранами.

А ЧТО ТАКОЕ ОБРАТНЫЙ ОСМОС?

Естественно задать вопрос: что будет, если к раствору приложить давление, превышающее осмотическое?

Оказалось, что в этом случае вода из водного раствора пойдет в обратном направлении — из раствора, причем тем быстрее, чем больше перепад давлений. На этом и основан новый метод разделения растворов, получивший название обратный осмос или осмос наоборот.

Открытие обратного осмоса оказалось весьма перспективным во всех отношениях: расход энергии здесь определяется в основном работой на продавливание воды через мембрану из полимерных материалов, пришедших ныне на смену бычьему пузырю.

Расход энергии оказался во много меньше, чем в большинстве известных методов разделения, связанных с испарением, конденсаций, плавлением и т. п., что весьма важно в эпоху НТР.

Кроме того, аппарат обратного осмоса с колоссальной поверхностью мембран (десятки тысяч квадратных метров в 1 м³ объема) занимает всего лишь небольшую комнату, а способен перерабатывать, например, сточные воды крупного завода.