ملخص الضغط الأسموزي — ثانية ثانوي

مقدمة

المادة: الكيمياء
المسار: مسار الهندسة وعلوم الحاسب
الوحدة: الفصل الأول: حالات المادة

ضع شرائح خيار في محلول ملحي مركز واتركها ساعات: ستجدها قد انكمشت ولانت. لم ينتزع منها أحد شيئًا، فأين ذهب الماء؟ وضع النبات الذابل في ماء عذب فيستعيد صلابته. وراء هاتين الملاحظتين ظاهرة تسمى الأسموزية، وهي أساس تقنية حديثة تزوّد ملايين الناس بماء الشرب من البحر.

أهداف التعلم

أن تصف الغشاء شبه المنفذ وتفسّر الأسموزية على المستوى الجزيئي.
أن تعرّف الضغط الأسموزي وتربطه بارتفاع مستوى السائل في أنبوب على شكل حرف U.
أن تحسب الضغط الأسموزي لمحلول مخفف بقانون فانت هوف.
أن تشرح الأسموزية العكسية وتطبيقها في تحلية مياه البحر.

شرح الدرس

الغشاء شبه المنفذ

غشاء فيه مسام دقيقة تسمح بمرور جزيئات المذيب الصغيرة (مثل الماء) وتمنع مرور جزيئات المذاب الكبيرة (مثل السكروز والجلوكوز). ومن أمثلته ورق السيلوفان وأغشية الخلايا الحية.

الأسموزية

الأسموزية انتقال جزيئات المذيب عبر غشاء شبه منفذ من جهة المذيب النقي (أو المحلول المخفف) إلى جهة المحلول (أو المحلول الأكثر تركيزًا).

التفسير: جزيئات الماء تعبر المسام في الاتجاهين باستمرار. لكن جزيئات المذاب الكبيرة في جانب المحلول تشغل جزءًا من فتحات الغشاء وتعيق خروج الماء منه؛ فيكون عدد جزيئات الماء الداخلة إلى المحلول أكبر من عدد الخارجة منه، أي تحدث حركة صافية للماء نحو المحلول. لاحظ أن المذاب لا «يسحب» الماء؛ بل يقلل فرصة عودته.

الضغط الأسموزي

في أنبوب على شكل حرف U يفصل منتصفه غشاء شبه منفذ، يرتفع مستوى السائل في جانب المحلول. ويتوقف الارتفاع حين يصبح ضغط عمود السائل الزائد كافيًا لموازنة ميل الماء إلى الانتقال.

أنبوب على شكل حرف U به ماء نقي ومحلول يفصل بينهما غشاء شبه منفذ؛ في البداية المستويان متساويان، وبعد الاتزان يرتفع جانب المحلول بمقدار h

الضغط الأسموزي $\pi$ هو الضغط الذي يجب تطبيقه على جانب المحلول لمنع الأسموزية، أي لإبقاء المستويين متساويين.

قانون فانت هوف

للمحاليل المخففة يتناسب الضغط الأسموزي طرديًّا مع التركيز المولاري $c$ ومع درجة الحرارة المطلقة $T$ ، بغض النظر عن نوع المذيب والمذاب:

\pi=cRT

ولأن $c=\frac{n}{V}$ تصبح العلاقة $\pi V=nRT$ ، وهي بصورة معادلة الغاز المثالي نفسها. بالوحدات: $\pi$ بالباسكال، و $c$ بـ $\text{mol/L}$ ، و $R=8.3\times10^{3}\ \text{Pa·L/(mol·K)}$ ، و $T$ بالكلفن. وللمذاب الإلكتروليتي نستخدم التركيز الكلي للأيونات.

الأسموزية العكسية

إذا طبقنا على جانب المحلول ضغطًا أكبر من ضغطه الأسموزي، يُجبر الماء على الانتقال من المحلول المركز إلى الجانب المخفف، عكس الاتجاه الطبيعي؛ وهذه هي الأسموزية العكسية. تُضخ مياه البحر تحت ضغط عالٍ عبر أغشية خاصة، فتبقى الأملاح ويعبر الماء العذب. وتُستخدم هذه التقنية في محطات تحلية كثيرة، وفي أجهزة تنقية المياه وقت الكوارث، وحتى في إعادة تدوير الماء على محطة الفضاء الدولية.

أمثلة وتطبيقات

خذ $R=8.3\times10^{3}\ \text{Pa·L/(mol·K)}$ .

مثال 1: محلول حجمه $200\ \text{mL}$ فيه $1.8\ \text{g}$ جلوكوز ( $180\ \text{g/mol}$ ) عند $27\,^{\circ}\text{C}$ . ما ضغطه الأسموزي؟

$n=0.010\ \text{mol}$ ، و $c=\frac{0.010}{0.200}=0.050\ \text{mol/L}$ :

\pi=0.050\times8.3\times10^{3}\times300\approx1.2\times10^{5}\ \text{Pa}

مثال 2: محلول $0.010\ \text{mol/L}$ من $\text{NaCl}$ عند $27\,^{\circ}\text{C}$ بفرض التأين التام.

تركيز الأيونات $0.020\ \text{mol/L}$ ، فإن $\pi=0.020\times8.3\times10^{3}\times300\approx5.0\times10^{4}\ \text{Pa}$ .

مثال 3: في أنبوب U به ماء نقي في الفرع $A$ ومحلول سكر في الفرع $B$ : أي مستوى يرتفع؟ وما المادة التي تعبر الغشاء؟ يرتفع مستوى $B$ ، والمادة العابرة هي الماء.

تطبيق حيوي: عند سقي نبات بمحلول سماد مركز، يصبح الماء خارج جذوره أكثر تركيزًا من داخلها، فيخرج الماء من خلايا النبات بالأسموزية فتفقد صلابتها ويذبل. والعلاج سقيه بماء عذب كافٍ لتخفيف التركيز حول الجذور.

ملاحظات مهمة

اتجاه الحركة الصافية للماء: من المخفف إلى المركز (في الأسموزية العادية).
حوّل الحجم إلى لتر ودرجة الحرارة إلى كلفن قبل التعويض.
قانون فانت هوف دقيق للمحاليل المخففة.
الأسموزية العكسية تحتاج ضغطًا خارجيًّا أكبر من الضغط الأسموزي، لا مساويًا له.

المفاهيم الأساسية

الغشاء شبه المنفذ يمرر المذيب ويمنع المذاب الكبير.
الأسموزية: حركة صافية للمذيب نحو المحلول الأكثر تركيزًا.
الضغط الأسموزي: الضغط اللازم لمنع الأسموزية.
قانون فانت هوف: $\pi=cRT$ أو $\pi V=nRT$ .
الأسموزية العكسية: ضغط أكبر من $\pi$ يدفع الماء من المركز إلى المخفف.

ملخص الدرس

عندما يفصل غشاء شبه منفذ بين مذيب نقي ومحلول، ينتقل المذيب صافيًا إلى المحلول لأن المذاب يعيق عودته، فيرتفع مستوى المحلول حتى يوازن فرق الارتفاع ما يسمى الضغط الأسموزي. ويُحسب هذا الضغط للمحاليل المخففة بقانون فانت هوف $\pi=cRT$ . وإذا طُبق ضغط أكبر منه انعكس اتجاه الحركة، وهذه هي الأسموزية العكسية التي تُستخدم في تحلية مياه البحر.

أسئلة للتدريب

فسّر انكماش شرائح الخيار في محلول ملحي مركز.
احسب الضغط الأسموزي لمحلول حجمه $300\ \text{mL}$ فيه $1.8\ \text{g}$ جلوكوز عند $27\,^{\circ}\text{C}$ .
أيهما ضغطه الأسموزي أكبر عند الدرجة نفسها: $0.1\ \text{mol/L}$ جلوكوز أم $0.1\ \text{mol/L}$ $\text{NaCl}$ ؟ ولماذا؟
ما الشرط اللازم لحدوث الأسموزية العكسية؟
ماذا يحدث للضغط الأسموزي لمحلول إذا ارتفعت درجة حرارته من $27\,^{\circ}\text{C}$ إلى $87\,^{\circ}\text{C}$ ؟