Áp suất thẩm thấu (Osmotic pressure)

Cơ chế:

Khi một dung dịch và dung môi tinh khiết được ngăn cách bởi màng bán thấm (chỉ cho phép dung môi đi qua), các phân tử dung môi sẽ di chuyển từ phía dung môi tinh khiết sang phía dung dịch. Sự di chuyển này xảy ra do sự chênh lệch về thế hóa học của dung môi ở hai phía của màng. Thế hóa học của dung môi tinh khiết cao hơn thế hóa học của dung môi trong dung dịch. Quá trình này tiếp tục cho đến khi nồng độ dung môi ở hai phía bằng nhau (khi đó thế hóa học của dung môi ở hai phía bằng nhau) hoặc áp suất thẩm thấu được áp dụng để ngăn chặn dòng chảy của dung môi. Lúc này hệ đạt trạng thái cân bằng thẩm thấu.

Công thức tính áp suất thẩm thấu

Áp suất thẩm thấu ($ \Pi $) có thể được tính bằng phương trình van ‘t Hoff:

$ \Pi = iMRT $

Trong đó:

• $ \Pi $: Áp suất thẩm thấu (atm hoặc Pa)
• $ i $: Hệ số van ‘t Hoff, đại diện cho số hạt mà một phân tử chất tan phân ly thành trong dung dịch. Đối với chất không điện ly, $ i = 1 $.
• $ M $: Nồng độ mol của chất tan (mol/L)
• $ R $: Hằng số khí lý tưởng (0.0821 L.atm/mol.K hoặc 8.314 J/mol.K)
• $ T $: Nhiệt độ tuyệt đối (Kelvin)

Các yếu tố ảnh hưởng đến áp suất thẩm thấu

• Nồng độ chất tan: Áp suất thẩm thấu tỉ lệ thuận với nồng độ chất tan. Nồng độ chất tan càng cao, áp suất thẩm thấu càng lớn.
• Nhiệt độ: Áp suất thẩm thấu tỉ lệ thuận với nhiệt độ tuyệt đối. Nhiệt độ càng cao, áp suất thẩm thấu càng lớn.
• Hệ số van ‘t Hoff: Giá trị của $ i $ phụ thuộc vào bản chất của chất tan. Đối với chất điện ly, $ i $ lớn hơn 1. $i$ phản ánh mức độ phân ly/liên kết của chất tan trong dung dịch.

Ứng dụng của áp suất thẩm thấu

Áp suất thẩm thấu có nhiều ứng dụng trong đời sống và khoa học, bao gồm:

• Sinh học: Duy trì hình dạng tế bào, vận chuyển nước và chất dinh dưỡng trong cây, điều hòa sự đóng mở khí khổng.
• Y học: Xác định trọng lượng phân tử của protein, điều chế dung dịch đẳng trương (ví dụ như nước muối sinh lý).
• Công nghiệp: Khử muối trong nước biển (thẩm thấu ngược), lọc nước.
• Thực phẩm: Bảo quản thực phẩm bằng cách sử dụng dung dịch có nồng độ muối hoặc đường cao (tạo môi trường ưu trương ức chế sự phát triển của vi sinh vật).

Ví dụ

Tính áp suất thẩm thấu của dung dịch glucose 0.1 M ở nhiệt độ 25°C (298K). Glucose là chất không điện ly, nên $ i = 1 $.

$ \Pi = (1)(0.1 \text{ mol/L})(0.0821 \text{ L.atm/mol.K})(298 \text{ K}) = 2.45 \text{ atm} $

Lưu ý: Phương trình van ‘t Hoff chỉ chính xác đối với dung dịch loãng. Đối với dung dịch đậm đặc, cần sử dụng các phương trình phức tạp hơn để tính áp suất thẩm thấu.

So sánh áp suất thẩm thấu với áp suất thủy tĩnh

Mặc dù cả áp suất thẩm thấu và áp suất thủy tĩnh đều liên quan đến áp suất của chất lỏng, chúng khác nhau về bản chất. Áp suất thủy tĩnh là áp suất do trọng lượng của chất lỏng gây ra, trong khi áp suất thẩm thấu là áp suất cần thiết để ngăn chặn dòng chảy của dung môi qua màng bán thấm. Trong hệ thống thẩm thấu, khi dung môi di chuyển vào dung dịch, cột chất lỏng sẽ tăng lên, tạo ra áp suất thủy tĩnh. Áp suất này sẽ chống lại dòng chảy thẩm thấu. Khi áp suất thủy tĩnh bằng áp suất thẩm thấu, cân bằng thẩm thấu được thiết lập và dòng chảy ròng của dung môi dừng lại.

Áp suất thẩm thấu ngược (Reverse Osmosis)

Áp suất thẩm thấu ngược là một quá trình sử dụng áp suất bên ngoài để đảo ngược dòng chảy thẩm thấu tự nhiên. Bằng cách áp dụng một áp suất lớn hơn áp suất thẩm thấu lên dung dịch đậm đặc, nước có thể được đẩy qua màng bán thấm, để lại các chất tan phía sau. Quá trình này được sử dụng rộng rãi trong lọc nước, đặc biệt là trong khử muối nước biển để tạo ra nước ngọt.

Tầm quan trọng của áp suất thẩm thấu trong sinh học

Áp suất thẩm thấu đóng vai trò quan trọng trong nhiều quá trình sinh học. Ví dụ, nó giúp duy trì hình dạng và độ cứng của tế bào thực vật (turgor). Khi tế bào thực vật được đặt trong dung dịch nhược trương (nồng độ chất tan thấp hơn bên trong tế bào), nước sẽ đi vào tế bào, làm tăng áp suất turgor. Điều này giúp tế bào duy trì hình dạng và hỗ trợ cấu trúc của cây. Ngược lại, nếu tế bào được đặt trong dung dịch ưu trương (nồng độ chất tan cao hơn bên trong tế bào), nước sẽ di chuyển ra khỏi tế bào, dẫn đến hiện tượng co nguyên sinh.

Mối quan hệ giữa áp suất thẩm thấu và độ giảm áp suất hơi

Áp suất thẩm thấu và độ giảm áp suất hơi đều là các tính chất hợp đồng, nghĩa là chúng phụ thuộc vào số lượng các hạt chất tan chứ không phải bản chất của chúng. Độ giảm áp suất hơi là sự giảm áp suất hơi của dung môi khi chất tan không bay hơi được thêm vào. Cả hai tính chất này đều có thể được sử dụng để xác định khối lượng phân tử của chất tan.

• Atkins, P., & de Paula, J. (2010). Atkins’ Physical Chemistry. Oxford University Press.
• Chang, R. (2010). Chemistry. McGraw-Hill.
• Silberberg, M. S., & Amateis, P. (2018). Chemistry: The Molecular Nature of Matter and Change. McGraw-Hill.

Câu hỏi và Giải đáp

Tại sao phương trình van ‘t Hoff ($Π = iMRT$) chỉ áp dụng cho dung dịch loãng?

Trả lời: Phương trình van ‘t Hoff được suy ra từ định luật khí lý tưởng, vốn chỉ chính xác cho khí loãng. Trong dung dịch loãng, các phân tử chất tan cách xa nhau và tương tác giữa chúng yếu, tương tự như khí loãng. Tuy nhiên, trong dung dịch đậm đặc, tương tác giữa các phân tử chất tan trở nên đáng kể, làm sai lệch kết quả tính toán theo phương trình van ‘t Hoff. Đối với dung dịch đậm đặc, cần sử dụng các phương trình phức tạp hơn, có tính đến hệ số hoạt độ của chất tan.

Sự khác biệt giữa dung dịch đẳng trương, nhược trương và ưu trương là gì, và chúng ảnh hưởng như thế nào đến tế bào?

Trả lời:

• Đẳng trương: Dung dịch có áp suất thẩm thấu bằng áp suất thẩm thấu bên trong tế bào. Khi tế bào được đặt trong dung dịch đẳng trương, không có dòng chảy ròng của nước vào hoặc ra khỏi tế bào.
• Nhược trương: Dung dịch có áp suất thẩm thấu thấp hơn áp suất thẩm thấu bên trong tế bào. Nước sẽ đi vào tế bào, làm tế bào trương lên. Trong trường hợp tế bào động vật, tế bào có thể bị vỡ. Tế bào thực vật có thành tế bào cứng cáp nên không bị vỡ, mà duy trì được độ cứng (turgor).
• Ưu trương: Dung dịch có áp suất thẩm thấu cao hơn áp suất thẩm thấu bên trong tế bào. Nước sẽ đi ra khỏi tế bào, làm tế bào co lại. Đối với tế bào thực vật, màng tế bào co lại khỏi thành tế bào, gọi là hiện tượng co nguyên sinh.

Ngoài khử muối nước biển, còn ứng dụng nào khác của áp suất thẩm thấu ngược?

Trả lời: Áp suất thẩm thấu ngược còn được ứng dụng trong:

• Lọc nước uống: Loại bỏ các tạp chất, vi khuẩn và virus khỏi nước.
• Xử lý nước thải: Tách các chất ô nhiễm khỏi nước thải công nghiệp.
• Sản xuất nước tinh khiết cho các ứng dụng công nghiệp: Ví dụ như trong sản xuất dược phẩm và chất bán dẫn.
• Tập trung các dung dịch: Ví dụ như trong công nghiệp thực phẩm để cô đặc nước ép trái cây.

Hệ số van ‘t Hoff (i) ảnh hưởng như thế nào đến áp suất thẩm thấu?

Trả lời: Hệ số van ‘t Hoff (i) đại diện cho số hạt mà một phân tử chất tan phân ly thành trong dung dịch. Áp suất thẩm thấu tỷ lệ thuận với i. Do đó, chất điện ly, phân ly thành nhiều ion trong dung dịch, sẽ có áp suất thẩm thấu cao hơn so với chất không điện ly có cùng nồng độ mol. Ví dụ, NaCl (i ≈ 2) sẽ có áp suất thẩm thấu gấp đôi glucose (i = 1) ở cùng nồng độ mol.

Làm thế nào để xác định khối lượng phân tử của một chất tan bằng cách sử dụng áp suất thẩm thấu?

Trả lời: Từ phương trình van ‘t Hoff: $Π = iMRT$, ta có thể biểu diễn nồng độ mol (M) theo khối lượng (m) và khối lượng phân tử (Mw) của chất tan: $M = \frac{m}{Mw \cdot V}$, where V là thể tích dung dịch. Thay vào phương trình van ‘t Hoff, ta được: $Π = i \frac{m}{Mw \cdot V} RT$. Từ đó, ta có thể tính khối lượng phân tử: $Mw = i \frac{mRT}{ΠV}$. Bằng cách đo áp suất thẩm thấu (Π) của dung dịch có khối lượng chất tan (m) và thể tích (V) đã biết, ta có thể xác định khối lượng phân tử (Mw) của chất tan.