Osmotický tlak

Rozbalit box

Obsah boxu

Osmotický tlak (značka Π nebo π) je termodynamická veličina, která popisuje tendenci rozpouštědla (nejčastěji vody) přecházet přes polopropustnou (semipermeabilní) membránu z oblasti s nižší koncentrací rozpuštěné látky do oblasti s vyšší koncentrací. Jedná se o jednu z koligativních vlastností roztoků, což znamená, že jeho velikost závisí na počtu částic rozpuštěné látky, nikoliv na jejich chemické povaze.

Formálně je osmotický tlak definován jako minimální vnější tlak, který je třeba na roztok aplikovat, aby se zastavil čistý tok rozpouštědla přes membránu. Tento jev, známý jako osmóza, je zásadní pro mnoho biologických a chemických procesů, od fungování živých buněk až po průmyslové technologie, jako je reverzní osmóza.

📜 Historie

Jev osmózy byl poprvé systematicky pozorován v roce 1748 francouzským knězem a fyzikem Jean-Antoinem Nolletem. Při svých experimentech použil prasečí měchýř jako polopropustnou membránu k oddělení vody a vína a pozoroval, jak voda proniká do měchýře, který se následně napíná a může až prasknout.

Kvantitativní studium osmózy však začalo až v 19. století. Německý botanik Wilhelm Pfeffer provedl přesná měření osmotického tlaku roztoků cukru. Jeho data následně využil nizozemský chemik Jacobus Henricus van 't Hoff, který v roce 1887 formuloval matematický vztah pro výpočet osmotického tlaku. Zjistil překvapivou analogii mezi chováním zředěných roztoků a ideálních plynů. Za objev zákonů chemické dynamiky a osmotického tlaku v roztocích obdržel v roce 1901 první Nobelovu cenu za chemii.

🧪 Princip a mechanismus

Základem osmózy je existence polopropustné membrány. Tato membrána je propustná pro molekuly rozpouštědla (např. vody), ale nepropustná pro větší molekuly nebo ionty rozpuštěné látky (např. cukru nebo soli).

Pokud taková membrána odděluje dva prostory – jeden s čistým rozpouštědlem a druhý s roztokem – dochází k samovolnému pohybu molekul rozpouštědla. Z pohledu termodynamiky má systém tendenci dosáhnout stavu s nejvyšší entropií, což v tomto případě znamená co největší "zředění" koncentrovanějšího roztoku. Molekuly rozpouštědla se proto pohybují z oblasti, kde je jejich koncentrace (přesněji chemický potenciál) vyšší (čisté rozpouštědlo nebo zředěný roztok), do oblasti, kde je jejich koncentrace nižší (koncentrovanější roztok).

Tento jednosměrný čistý tok rozpouštědla způsobuje nárůst objemu na straně koncentrovanějšího roztoku, což vede ke vzniku hydrostatického tlaku. Tento tlak působí proti dalšímu pronikání rozpouštědla. Proces se zastaví, když se hydrostatický tlak vyrovná s "hnací silou" osmózy. Právě velikost tohoto rovnovážného hydrostatického tlaku se nazývá osmotický tlak.

🔢 Výpočet a vzorce

Pro zředěné roztoky, které se chovají přibližně jako ideální, lze osmotický tlak vypočítat pomocí van 't Hoffovy rovnice, která je formálně podobná stavové rovnici ideálního plynu:

$\mathrm{\Pi }=i\cdot c\cdot R\cdot T$

kde:

• Π je osmotický tlak (v pascalech, Pa)
• i je Van 't Hoffův faktor, bezrozměrná konstanta, která udává, na kolik částic se rozpadne (disociuje) jedna molekula rozpuštěné látky v roztoku.
  • Pro neelektrolyty (látky, které nedisociují, např. glukóza, sacharóza) je i = 1.
  • Pro elektrolyty (látky, které disociují na ionty, např. NaCl) je i rovno počtu iontů vzniklých disociací jedné molekuly (pro NaCl je i ≈ 2, protože disociuje na Na⁺ a Cl⁻). U silných elektrolytů se hodnota blíží celému číslu, u slabých je nižší.
• c je molární koncentrace rozpuštěné látky (v mol/m³; v praxi se často používá mol/l).
• R je molární plynová konstanta (přibližně 8,314 J·K⁻¹·mol⁻¹).
• T je termodynamická teplota (v kelvinech, K).

Součin i·c se často označuje jako osmolarita roztoku, která vyjadřuje celkovou koncentraci osmoticky aktivních částic.

🔬 Typy roztoků z hlediska tonicity

V biologii je klíčové porovnávat osmotický tlak vnějšího prostředí s osmotickým tlakem uvnitř buňky. Tento vztah se nazývá tonicita.

• Izotonický roztok: Má stejný osmotický tlak jako vnitřní prostředí buňky (cytoplazma). V takovém roztoku nedochází k čistému toku vody přes buněčnou membránu a buňka si udržuje svůj tvar a objem. Příkladem je fyziologický roztok (0,9% roztok NaCl), který je izotonický s lidskou krevní plazmou.

• Hypotonický roztok: Má nižší osmotický tlak (nižší koncentraci rozpuštěných látek) než buňka. Voda proto proudí z okolí do buňky.
  • Živočišná buňka v hypotonickém prostředí (např. v destilované vodě) nasává vodu, zvětšuje svůj objem a nakonec praská (jev se nazývá hemolýza u červených krvinek nebo obecně cytolýza).
  • Rostlinná buňka je chráněna pevnou buněčnou stěnou. Voda proudící dovnitř zvyšuje vnitřní tlak (turgor), který buňku napíná, ale brání jejímu prasknutí. Turgor je pro rostliny životně důležitý, protože jim dodává pevnost.

• Hypertonický roztok: Má vyšší osmotický tlak (vyšší koncentraci) než buňka. Voda proto proudí z buňky ven do okolního prostředí.
  • Živočišná buňka se v takovém prostředí smršťuje (jev se nazývá plazmorýza nebo krenace).
  • U rostlinné buňky se smršťuje obsah buňky (protoplast), který se odtahuje od buněčné stěny. Tento jev se nazývá plazmolýza.

🌍 Význam v přírodě a technice

Osmotický tlak hraje klíčovou roli v mnoha oblastech.

🧬 Biologie a medicína

• Buněčná homeostáza: Všechny živé buňky musí udržovat rovnováhu vody a iontů se svým okolím, což je řízeno právě osmózou.
• Transport vody v rostlinách: Rostliny přijímají vodu z půdy kořenovým systémem díky tomu, že koncentrace látek v kořenových buňkách je vyšší než v půdním roztoku. Osmotický tlak je jednou z hlavních sil, které pohánějí vodu vzhůru xylémem.
• Funkce ledvin: V ledvinách se pomocí osmózy a osmotického gradientu reguluje zpětné vstřebávání vody z primární moči, což umožňuje tělu šetřit vodou a produkovat koncentrovanou moč.
• Onkotický tlak: Speciální typ osmotického tlaku v krevních cévách, vytvářený především bílkovinami (hlavně albuminem) v krevní plazmě. Tento tlak pomáhá zadržovat tekutinu uvnitř cév a brání jejímu nadměrnému úniku do tkání, čímž předchází vzniku otoků (edémů).
• Lékařské aplikace: Infuzní roztoky podávané pacientům musí být izotonické, aby nedošlo k poškození krvinek.

⚙️ Průmysl a technologie

• Reverzní osmóza: Pokud na roztok vyvineme vnější tlak, který je vyšší než jeho osmotický tlak, donutíme molekuly rozpouštědla proudit "proti proudu" – z koncentrovanějšího roztoku do zředěnějšího. Tato metoda se masivně využívá k:
  • Odsolování mořské vody (výroba pitné vody).
  • Čištění a úpravě vody v průmyslu i domácnostech.
  • Koncentraci ovocných šťáv a jiných potravinářských produktů.
• Konzervace potravin: Nakládání masa do soli nebo ovoce do cukru využívá osmózu. Vysoká koncentrace soli nebo cukru v okolí potraviny odčerpává vodu z buněk mikroorganismů (bakterií, plísní), které se tak nemohou množit a kazit potravinu.
• Osmotické elektrárny: Experimentální technologie, která se snaží vyrábět energii z řízeného mísení sladké a slané vody (např. v ústí řek do moře) na základě osmotického tlaku.

🧑‍🏫 Pro laiky: Jak to funguje?

Představte si plot s velmi malými oky, který odděluje dvě části zahrady. Tímto plotem projdou jen malé tenisové míčky (molekuly vody), ale velké fotbalové míče (molekuly cukru nebo soli) neprojdou.

• Na jedné straně plotu máte jen tenisové míčky (čistá voda).
• Na druhé straně máte směs tenisových a fotbalových míčů (sladká nebo slaná voda).

Tenisové míčky se pohybují náhodně a občas projdou dírou v plotu na druhou stranu. Protože na straně s fotbalovými míči je "méně místa" pro tenisáky, bude více tenisových míčků přirozeně přecházet ze strany, kde je jich hodně, na stranu, kde je jich méně. Tento jednosměrný pohyb způsobí, že na straně s fotbalovými míči bude přibývat objem.

Osmotický tlak je pak síla (tlak), kterou byste museli na tuto stranu s přibývajícími míčky zatlačit, abyste tomuto jejich přecházení přesně zabránili. Čím více fotbalových míčů (rozpuštěné látky) na jedné straně máte, tím větší tlak musíte vyvinout.

Šablona:Aktualizováno