Осмотическим давлением называют избыточное давление, которое необходимо приложить к раствору через полупроницаемую мембрану, чтобы предотвратить самопроизвольное поступление растворителя из области с меньшей концентрацией растворённого вещества в область с большей. Полупроницаемая мембрана обладает избирательной проницаемостью: она пропускает молекулы растворителя, но не пропускает ионы или молекулы растворённого вещества.
Осмос представляет собой важнейшее коллигативное свойство растворов, зависящее исключительно от числа частиц растворённого вещества в единице объёма, а не от их природы.
При контакте раствора с чистым растворителем через полупроницаемую перегородку молекулы растворителя диффундируют в сторону раствора, так как химический потенциал растворителя в чистом состоянии выше, чем в растворе. Это приводит к увеличению объёма раствора и уменьшению объёма чистого растворителя. Процесс продолжается до тех пор, пока не установится динамическое равновесие, при котором создаётся дополнительное давление — осмотическое.
Таким образом, осмотическое давление является прямым следствием стремления системы к выравниванию химических потенциалов растворителя в обеих фазах.
Для разбавленных растворов осмотическое давление подчиняется закону Вант-Гоффа:
π = iCRT
где
Формальное сходство этого уравнения с уравнением состояния идеального газа подчёркивает молекулярную природу осмотических явлений: частицы растворённого вещества ведут себя подобно молекулам газа в ограниченном объёме.
Для неэлектролитов (i = 1) осмотическое давление определяется только числом молекул вещества. Для электролитов значение осмотического давления возрастает, так как каждая формульная единица вещества диссоциирует на несколько ионов. Например, хлорид натрия в растворе даёт два иона, и коэффициент Вант-Гоффа близок к i = 2. Однако в реальных условиях отклонения от идеальности (ионные ассоциации, межионные взаимодействия) приводят к уменьшению эффективного значения i.
Для измерения осмотического давления используют осмометры, в которых через полупроницаемую мембрану происходит приток растворителя в раствор. Избыточное давление фиксируется по изменению уровня жидкости или с помощью манометрических датчиков. Точность измерения зависит от качества мембраны и её селективности.
Метод осмометрии позволяет определять молекулярные массы высокомолекулярных соединений, для которых другие физико-химические методы (криоскопия, эбулиоскопия) затруднены. Особенно эффективно этот метод применяется в случае белков, полисахаридов и синтетических полимеров.
Осмотическое давление играет фундаментальную роль в живых системах. Оно определяет водный баланс клеток и тканей. Клеточные мембраны являются полупроницаемыми, и при изменении концентрации внешней среды происходит либо плазмолиз (выход воды из клетки), либо тургорное набухание (вход воды внутрь).
В медицине и фармацевтике понятие изотоничности имеет ключевое значение. Растворы для инъекций и инфузий должны иметь осмотическое давление, равное осмотическому давлению плазмы крови, чтобы избежать разрушения эритроцитов или обезвоживания клеток.
В промышленности осмос используется в процессах разделения и очистки: обратный осмос лежит в основе получения пресной воды из морской, а также концентрирования пищевых продуктов.
С точки зрения термодинамики осмотическое давление связано с изменением химического потенциала растворителя при образовании раствора. Для идеальных разбавленных растворов зависимость выражается формулой:
$$ \pi = - \frac{RT}{V_1} \ln a_1 $$
где V1 — молярный объём растворителя, a1 — активность растворителя в растворе. При малых концентрациях активность растворителя близка к его мольной доле, и уравнение упрощается до закона Вант-Гоффа.
Таким образом, осмотическое давление отражает не только коллигативные свойства растворов, но и фундаментальные закономерности термодинамики.