Οι προσθετικές (ή συλλογικές) ιδιότητες των διαλυμάτων: Όταν έχει προκύψει διάλυμα στερεού μέσα σε υγρό, η τάση ατμών του διαλύματος είναι γενικά κατώτερη από αυτήν του καθαρού διαλύτη. Έτσι χρειάζεται αύξηση της θερμοκρασίας για να επιτευχθεί τάση ατμών ίση με αυτή του διαλύτη. Η διάλυση στερεού μέσα σε ένα υγρό, χαμηλώνει την τάση ατμών και ανυψώνει το σημείο ζέσεως (σζ) του διαλύματος όταν αυτό συγκρίνεται με το σημείο ζέσεως (ή σημείο βρασμού) του διαλύτη. Κατά παρόμοιο τρόπο, η διάλυση ενός στερεού μέσα σ’ ένα υγρό προκαλεί ταπείνωση του σημείου πήξης (σπ) του διαλύματος σε σχέση με το σημείο πήξης (ή τήξης) του καθαρού υγρού.
Μια ακόμα ιδιότητα που χαρακτηρίζει το διάλυμα ενός στερεού μέσα σε ένα υγρό, είναι η άσκηση ωσμωτικής πίεσης, όταν το διάλυμα και ο καθαρός διαλύτης χωριστούν με μία ημιπερατή (ή ημιδιαπιδυτή) μεμβράνη. Οι τέσσερις αυτές ιδιότητες: η μείωση της τάσης ατμών του υγρού, η ανύψωση του σημείου ζέσεως, η ταπείνωση του σημείου πήξεως και η ωσμωτική πίεση, συνιστούν τις συλλογικές ή αθροιστικές (προσθετικές) ιδιότητες ενός διαλύματος. Οι ιδιότητες αυτές λέγονται “συλλογικές” (colligative properties), γιατί όλες εξαρτώνται από τη συγκέντρωση των διακριτών μονάδων της διαλυμένης ουσίας μέσα στο διαλύτη. Έτσι ένας ισχυρός ηλεκτρολύτης, δηλαδή μια ένωση η οποία διίσταται (ή ιοντίζεται) πλήρως σε ιόντα, εμφανίζει προσθετικές ιδιότητες ευθέως ανάλογες της συγκέντρωσης όχι των αδιάσπαστων μορίων, αλλά των ιόντων που έχουν προκύψει με τη διάσταση ή τον ιοντισμό.
Οι προσθετικές ιδιότητες των διαλυμάτων αναλυτικά έχουν ως εξής;
- Μείωση της τάσης ατμών του διαλύτη. Η τάση ατμών του διαλύματος P, συνδέεται με την τάση ατμών του καθαρού διαλύτη P0 με την ακόλουθη σχέση: (P0-P)/P0= x όπου x είναι το γραμμομοριακό κλάσμα της διαλυμένης ουσίας. Η μείωση της τάσης ατμών του διαλύτη, που προκαλείται από μία μη πτητική διαλυμένη ουσία, είναι γενικά μικρή. Ένα διάλυμα 1 m, ως προς το μη πτητικό συστατικό του, παρουσιάζει μείωση της τάσης ατμών ίση με [(1/56,5).P0]. Η τιμή P0 για το νερό, δηλαδή η τάση ατμών του νερού στους 20 0C είναι ίση με 17,54 mm Hg. Έτσι ένα υδατικό διάλυμα 1 Μ μιας μη πτητικής ένωσης, παρουσιάζει ταπείνωση της τάσης ατμών του διαλύματος ίση με (1/56,5).17,54 = 0,310 mm Hg.
- Η ανύψωση του σημείου ζέσεως. Η ανύψωση του σημείου ζέσεως ΔTb, ενός διαλύματος, η οποία οφείλεται στην παρουσία μιας μη πτητικής διαλυμένης ουσίας, δίνεται από τη σχέση: ΔTb = Kb . m όπου Kb είναι η γραμμομοριακή κατά βάρος σταθερά του σημείου ζέσεως του διαλύτη (molal boiling point constant). Η σταθερά Kb, είναι συνάρτηση της ενθαλπίας εξάτμισης ΔHvap , της σχετικής μοριακής μάζας Mr και της θερμοκρασίας ζέσης του διαλύτη T0.
Kb = R.T02.Mr/(1000. ΔHvap)
Η τιμή της Kb για το νερό είναι 0,513 0K/molal. Έτσι ένα διάλυμα 1 m (1 mole διαλυμένο σε 1000 g διαλύτη) μιας μη πτητικής διαλυμένης ουσίας, προκαλεί ανύψωση του σημείου ζέσεως ίση με 0,513 0C.
3. Η ταπείνωση του σημείου πήξης. Η ταπείνωση του σημείου πήξης η οποία οφείλεται στην παρουσία ενός μη πτητικού συστατικού του διαλύματος, δίνεται από τη σχέση: ΔTf = Kf . m όπου Kf είναι η γραμμομοριακή κατά βάρος σταθερά του σημείου πήξης του διαλύτη (molal freezing point constant). Η σταθερά Kb, είναι συνάρτηση της ενθαλπίας πήξης ΔHfus , της σχετικής μοριακής μάζας Mr και της θερμοκρασίας πήξης του διαλύτη T0.
Η τιμή της Kf για το νερό είναι 1,86 0K/molal. Έτσι ένα διάλυμα 1 m (1 mole διαλυμένο σε 1000 g διαλύτη) μιας μη πτητικής διαλυμένης ουσίας, προκαλεί ταπείνωση του σημείου πήξεως ίση με 1,86 0C.
4. Η ωσμωτική πίεση: Για έναν ορισμένο όγκο διαλύματος V, και για σχετικά αραιά διαλύματα η ωσμωτική πίεση Π καθορίζεται από τη σχέση:
Π .V = n .R .T
όπου n είναι ο αριθμός moles της διαλυμένης ουσίας, και η Π έχει διαστάσεις πίεσης. Μπορούμε άρα να διατυπώσουμε την ωσμωτική πίεση σε mm Hg ή σε Atm ή σε cm στήλης νερού. Γίνεται αμέσως προφανές ότι από τις τέσσερις προσθετικές ιδιότητες, η ωσμωτική πίεση είναι αυτή που παρουσιάζει τα πιο εύκολα να προσδιοριστούν αποτελέσματα, αφού ένα μοριακό κατά βάρος διάλυμα (1 m) μπορεί να δημιουργήσει πίεση ίση με 760 mm Hg ή 1034 cm νερού.
Παράδειγμα: Να υπολογιστεί η ωσμωτική πίεση η οποία ασκείται από ένα διάλυμα 0,312 g ουρίας (NH2)2CO Mr = 60, που έχουν διαλυθεί σε 100 ml νερού στους 25 0C.
Με αντικατάσταση στην εξίσωση έχουμε ότι:
Π = (m.R.T)/(V.Mr) = (0,312 . 0,082. 298)/(0,1 . 60) = 1,27 Atm
Όταν οι σχέσεις των προσθετικών ιδιοτήτων ισχύουν για ένα συγκεκριμένο διάλυμα, τότε λέμε ότι το διάλυμα είναι ιδανικό. Γενικά η συμπεριφορά ενός διαλύματος πλησιάζει την ιδανική κατάσταση όσο γίνεται περισσότερο αραιό. Ισχύει και για τα διαλύματα ότι ισχύει για τα αέρια, όπου ως γνωστόν η ονομασία “ιδανικό αέριο” χρησιμοποιείται για κάποιο αέριο που ισχύει ο νόμος Boyle -Marriotte. Πράγματι η ομοιότητα ανάμεσα στα αέρια και τα διαλύματα δεν είναι συμπωματική, για το λόγο δε αυτόν είναι δυνατόν να εξηγηθούν οι νόμοι που διέπουν τα διαλύματα με την επέκταση της κινητικής θεωρίας των αερίων, η οποία γενικεύεται στην κινητική θεωρία της ύλης.
Ωσμωτική Πίεση (Π)
Έστω ένα υγρό που χωρίζεται σε δύο διαμερίσματα με μία ημιδιαπιδυτή (ή ημιπερατή) μεμβράνη. Το υγρό μπορεί να διέρχεται από τους πόρους της μεμβράνης. Έστω επίσης μια διαλυμένη ουσία που δεν διαπερνά τη μεμβράνη. Αν διαλύουμε μια ποσότητα ουσίας στο ένα διαμέρισμα, θα πρέπει να αναμένουμε μια αύξηση της στάθμης της στάθμης του υγρού στο διαμέρισμα που περιέχει την μη διαπερατή διαλυμένη ουσία.
Η αύξηση της στάθμης του υγρού θα σταματήσει όταν η πίεση της στήλης του υγρού που προκύπτει από τη διαφορά στάθμης στα δύο διαμερίσματα, γίνει ίση με τη δύναμη που ασκεί η μη διαπερατή ουσία επάνω στο αραιότερο διάλυμα. Ονομάζουμε το βάρος αυτό ανά μονάδα επιφανείας της στήλης του υγρού, Ωσμωτική Πίεση του διαλύματος. Η Ωσμωτική Πίεση μπορεί να οριστεί αλλιώς σαν “πίεση που πρέπει να ασκηθεί επάνω σε ένα διάλυμα για να εμποδίσει το πέρασμα του διαλύτη στο διαμέρισμα αυτό, όταν ο διαλύτης χωρίζεται από το διάλυμα με ημιπερατή μεμβράνη.
Η έννοια επομένως της ωσμωτικής πίεσης αναφέρεται στο φαινόμενο της ώσμωσης, δηλαδή της αυθόρμητης μετατόπισης νερού (ή άλλου υγρού γενικά) μέσα από μία ημιπερατή μεμβράνη, από το τμήμα του υγρού με τη μικρότερη συγκέντρωση (ουσίας που δεν διαπερνά τη μεμβράνη), προς το τμήμα με τη μεγαλύτερη συγκέντρωση στην ουσία αυτή.
Ημιδιαπιδυτές (ημιπερατές) μεμβράνες σαν αυτή που απεικονίζει το σχήμα, υπάρχουν στο εμπόριο με την ονομασία “σάκκοι διαπίδυσης” (dialysis bags). Οι μεμβράνες αυτές επιτρέπουν τη δίοδο ύδατος (νερού), αλλά όχι μεγαλομοριακών ουσιών. Παρ’ όλο ότι η διαπερατότητα των μεμβρανών αυτών, αναφορικά με το μέγεθος των μορίων, η δίοδος των οποίων αποκλείεται, μπορεί να είναι διαφορετική για διάφορα είδη μεμβρανών, οι συνήθεις μεμβράνες αποκλείουν τη δίοδο σε πρωτεΐνες ή πολυπεπτίδια μοριακού βάρους από 5000 έως 10000 και άνω. έτσι όταν ένα πρωτεϊνικό παρασκεύασμα εισαχθεί σε ένα σάκκο διαπίδυσης και αυτός τοποθετηθεί σε ένα δοχείο που περιέχει νερό ή που περιέχει ένα ρυθμιστικό διάλυμα, παρατηρείται έξοδος των μικρομοριακών ουσιών από το σάκκο και, βέβαια είσοδος του ρυθμιστικού διαλύματος μέσα στο σάκκο, έως ότου επέλθει ισορροπία ανάμεσα στα δύο διαλύματα. Με τον τρόπο αυτό μπορούμε να αφαιρέσουμε όλες τις μικρομοριακές ενώσεις από ένα πρωτεϊνικό παρασκεύασμα, πχ από ένα ομογενοποίημα ιστών.
Το φαινόμενο της ώσμωσης είναι συνδεδεμένο με ένα πλήθος από φυσιολογικές λειτουργίες, όπως είναι η διατήρηση της σύστασης του ενδοκυττάριου και εξωκυττάριου χώρου σε συμβατά με τη ζωή και την υγεία επίπεδα (ομοιόσταση), η εκκριτική λειτουργία του βλεννογόνου του στομάχου, του ήπατος και του νεφρού.
