Back to index

Osmotic pressure and the striking analogy with vapour- pressure

Osmotische druk:

Indien twee vloeistoffen, waarvan één een opgeloste stof (bijv. zout) bevat, door een geschikt membraan worden gescheiden, ontstaat t.g.v. selectieve moleculaire doorlaatbaarheid een vloeistofniveau verschil met een hydrolische druk, welke osmotische druk wordt genoemd.

Wet van *Van 't Hoff :

De osmotische druk is even groot als de gasdruk, die de opgeloste stof als gas zou uitoefenen, indien dit bij dezelfde temperatuur een ruimte innam, die gelijk is aan het volume van de oplossing.

Voornoemde selectieve doorlaatbaarheid, werd tot voor 'kort' (Techn. W.P. 1952) verklaard t.g.v. de verschillen in grootte tussen de moleculen van het oplosmiddel (bijv. water) en een samenstel van aan elkaar 'gebonden' moleculen van oplosmiddel en opgeloste stof (bijv. zout).
De hierbij ontstane osmotische (tegen-) druk wordt volgens de gangbare opvatting verklaard t.g.v. de neiging of 'drive' om de oplossingsconcentraties aan beide zijden van het membraan gelijk te maken waarbij alléén de kleinere ongebonden watermoleculen het membraan kunnen doorlopen.

Vanuit de kinetische warmtetheorie wordt membraan diffusie bij gassen verklaard t.g.v. verschillen in gemiddelde vrije weglengte van de moleculen totdat deze met elkaar in botsing komen; de Brownse beweging wordt hiermee geassociëerd en zelfs als belangrijkste 'bewijs' van deze theorie beschouwd waarbij ook membraan diffusie bij vloeistoffen het gevolg zou zijn van botsende moleculen met hun variaties in vrije weglengte.

De hierbij 'verklarende' kinetische warmtetheorie lijkt hier voortgekomen uit de vóóronderstelling of hypothese, dat het samenbrengen van verschillende gassoorten altijd leidt tot de vorming van een homogeen mengsel en dat het ontstaan van bovengenoemde hydrostatische osmotische druk het gevolg is van een krachtenspel om alléén een homogeen mengsel te vormen.
Opmerkelijk blijft de voornoemde van 't Hoff definitie hierbij zelfs onafhankelijk van de aard van de opgeloste stof gelden.
Uit de hiervolgende schets van osmometer A(Winkler Prins) mag men i.v.m. de dieper stekende stijgbuis echter niet uitsluiten, dat het zo strikt gedefiniëerde osmotisch drukverschil hier alléén ontstaat t.g.v. de creatie van een lucht/ zoutgas 'mengsel' in een hier bovenin gecreëerde lucht'bel' (of binnen de poriën van een poreus membraan); onderin het oplossings compartiment zal het -door het membraan gescheiden- drukverschil namelijk hoger zijn: (p2-p3) >p1, i.v.m. het massadichtheids verschil tussen de kolom 'zoet'- en zout water.
Er zijn namelijk ook osmometer- ontwerpen waar alléén onderin een membraanvlies aangebracht is.

Een uitvoering zoals geschetst als osmometer B zou dit eventuëel kunnen bevestigen c.q. ontzenuwen.
Als achterliggende gedachte bedoel ik hiermee dat gewoon (belucht) water als soort katalysator werkt (zoals bij roestvorming) waarbij bijvoorbeeld belucht water-moleculaire membraan passage plaatsvindt t.g.v. de (katalyserend reagerende) aantrekkingskracht tussen de in water opgeloste lucht- en zoutmoleculen, en er bovenin de oplossingsruimte een lucht/ zoutgas mengsel ontstaat met het resulterende hydrolische drukverschil van de zo karakteriserende van 't Hoff'se (partiële) zoutgasdruk.
Ook hierbij 'neem ik stelling' dat de opname van zowel zoutgas als waterdamp in lucht (zie vervolg) beiden oplossingen zijn.
Herhalend twijfel ik namelijk sterk aan de gangbare visie, dat -de zo strikt gedefiniëerde- osmotische druk alléén ontstaat t.g.v. een moleculaire mengings 'drive'; 'verdunning' van het oplossings concentraat treedt bij vóórlaatste optie eveneens op omdat hier zout -als in lucht opgelost zoutgas- onttrokken wordt aan het water.

Dit laatste zou ook zeer goed een verklaring kunnen zijn bij de zoutwinning in 'stilstaande' zoutpannen t.o.v. vergassende zout- ontsnapping in kust- regio's bij goed belucht zeewater in de branding.

De twijfel aan een osmotische vermengings'drive' wordt bij mij -als watersporter- namelijk ook versterkt door de sterke 'kont'-stroom bij het 'schutten' in een sluis van 'zoet' naar zout water.
Hierbij verdringt het binnentredende zware zoute water het lichte 'zoete' water uit de diepere delen van de sluiskom; de wet van Archimedes* en 'communicerende vaten' lijkt hierbij sterker dan de vermeende mengingskracht, welke de oorzaak zou zijn van de gemeten osmotische druk.

Een klein proefje heb ik hieraan gewaagd vanuit de bekende eigenschap, dat de electrische weerstand afneemt naarmate er meer zout in water opgelost is:
In een drinkglas (model coca cola glas) met water van 18oC heb ik voorzichtig een theelepel zout ingebracht - niet geroerd-.
Ca. 6 uur later -er bevond zich nog duidelijk zout onder in het glas- heb ik voorzichtig met een pipet 3 mosters oplossing opgezogen; onderin op 1/2 cm boven de bodem, in het midden en bovenin op 1/2 cm onder het waterniveaux.
Drie gelijke U- vormige slangetjes heb ik met betreffende monsters gevuld, waarna ik met een universeelmeter de electrische weerstand heb bemeten; de waarde's, herhaald met kleine afwijkingen bleken onderin 25, midden 100 en boven 200 Ohm.
Ook het hierná in dit hoofdstuk beschreven propaan/ luchtmengsel voldoet niet aan de algemene 'wetmatigheid' van een sterke 'drive' tot de vorming van een -hier- homogeen gasmengsel.

Binnen dit kader hierbij eveneens een interessant observatie- experiment :
Men neemt 2 glazen water waarvan één glas gevuld is met ontlucht (nabij het kookpunt) en -afgedekt- tot kamertemperatuur afgekoeld water.
Men voorziet beide glazen -zonder te roeren- van een theelepel' hoeveelheid zout.
In het glas normaal 'belucht' water ziet men gelijktijdig opstijgende kleine 'lucht'belletjes; in een iets taps toelopend theeglas blijven enkele belletjes zelfs tegen de binnenkant van het glas 'plakken'.
In het ontluchte glas water ontbreekt de voornoemde belletjesvorming, terwijl het oplossend vermogen hier klaarblijkelijk niet door wordt beperkt.

Ik doe hierbij graag een beroep op de bezitter van een erkende osmometer om een traditionele (tijds-) drukopbouwmeting ter vergelijking eveneens te herhalen met zorgvuldig ontlucht -en eventueel met een dun laagje minerale olie afgedekt- water rondom de door het membraan omsloten zoutoplossing.

Vooruitlopend op het eventuële positieve resultaat van dit voorgestelde osmotische experiment, moet de voorwaarde tot lucht èn zoutgasvorming hier dus gezocht worden vanuit de interaktie tussen de in water 'opgeloste' zout- en lucht (of bijvoorbeeld zuurstof) moleculen met het water als katalisator.

---------

De hierbij versterkende overeenkomst of gelijkenis tussen de hoogtes van osmotische druk en dampspanning (van waterdamp in lucht) is dat beiden zg.deelspanningen zijn, welke vanuit hun beider definities slechts bepaald worden door de betrokken deel- stoffen alléén, onder te brengen in de ruimte waarin zich de oplossing, respectievelijk het gas'mengsel' zich bevond.

Een andere overeenkomst tussen voornoemde oplossing van zout in water en vochtopname in lucht is dat deze 'spontaan' verlopen; slechts door het samenbrengen van de betrokken deel-stoffen ontstaan er hier toestandsveranderingen met de daarbij optredende warmteëffecten.
De T.S. beschouwt de opname van water in lucht dan óók als een moleculaire herrangschikkende reactie ten gevolge van de interactie tussen lucht- en solitaire watermoleculen; zie hiertoe ook: ....views on Entropy.

Hierbij refereer ik ook graag naar een blijkbaar in onbruik geraakte 'verklaring' van vochtopname in lucht, welke beschreven staat in *Natuurkunde van den Mensch uit 1821(cit.): "De lucht verbindt zich met het water, en lost hetzelve op, gelijk het laatste de zouten" ..en "De lucht wordt met water vereenigd, gelijk het water met zouten, totdat dezelfe daarvan niets meer kan oplossen. Wordt haar warmtemaat verhoogd, dan vermeerdert haar oplossend vermogen, dat bij hare verkoeling vermindert: de verschillende graden van warmte nu, brengen omtrent de oplossing van zouten in water hetzelfde verschijnsel te weeg".

Dampspanning en Gasdruk:

Ik kom nu toch, niet geheel toevallig, op het verschil tussen damp(spanning) en gas(druk).
Indien er zich in een afgesloten systeem slechts één vloeistof met zijn door de temperatuur bepaalde gasdruk bevindt -zie bijvoorbeeld de verzadigde stoomtabellen -, kan men per definitie van vloeistof, gas en gasdruk spreken; alléén onder hoge druk kan er een moeizamer onderscheid gemaakt worden tussen vloeistof en gas.
Alléén door toevoer van warmte kan er in deze evenwichtssituatie -en tegen de heersende druk in- verdamping (of beter vergassing) optreden.
Spontane verdamping treedt hierbij alléén op als men de druk verlaagt; dus bij een 'mechanisch' geforceerde toestandswijziging.

Voor zover deze hiervolgende 'stelling' nog niet bestaat, hierbij (volgens de T.S):
Overal in een gas- of gasmengsel heerst (zeker in een horizontaal vlak) een gelijke druk; een plaatselijke drukverhoging zal zich dan ook snel verspreiden over- of tussen alle betrokken gasmoleculen; bij een voornoemde water- of zoutgas oplossing blijven alle lucht- moleculen (zie verder) de voornoemde druk op elkaar uitoefenen.
Kortstondig krachtige (een knal) of trillende druk pulsen (geluid)kunnen zich echter zeer snel tussen de hier min of meer elastisch botsende moleculen voortplanten.
Geluid laat zich ook uitstekend 'richten'.

Dit laatste laat zich m.i. -zoals eerder beschreven- ook moeilijk te koppelen aan warmte als moleculaire beweging en gasdruk als thermokinetisch- en 'ideaal' botsende moleculen.

'Spontane' verdamping van water in lucht -bij lagere temperaturen dan bij de omgevingsdruk behorende kooktemperatuur-, beschouwt de T.S. dan ook als een oplossing van water in lucht t.g.v. de interactie of aantrekkingskracht tussen lucht- en watermoleculen.
Omdat hierbij de solitaire watermoluculen losgekomen zijn van 'aangrenzende' watermoleculen, treedt er hierbij een -voornoemde- thermosferische samenvoeging op waarbij gelijktijdig met het hierbij gedefiniëerde gasmolecuul, er een temperatuurs verlaging 'getoond' wordt waarná de verdampingswarmte spontaan aan zijn omgeving wordt onttrokken.

Het voornoemde verschijnsel wordt volgens de kinetische warmte theorie 'verklaard': omdat gasmoleculen zich altijd individualistisch gedragen alsof zij zich alléén in een bepaalde ruimte bevinden.
Het beginsel van Dalton* : "De druk van een gasmengsel is de som van de deeldrukken, die de samengebrachte gassen onafhankelijk bij gelijke temperatuur in de zelfde ruimte in zouden nemen", wordt -voorzover deze hierbij als grondslag dient- m.i. volkomen onjuist geïnterpreteerd.

De T.S. beschouwt de 'partiële waterdampspanning' in lucht echter alléén als de meetbare druktoename in een afgeloten luchtvat, indien er bij waterinjectie verdamping optreedt.
Het door luchtmoleculen omgrensde solitaire watermolecuul zal zelfs onder de hier heersende temperatuur en intern hoge druk -in afwijking van het symbolische fase diagram verderop- alléén als gas kunnen existeren. -Zie ook stelling 6/ in Summing up's hypotheses-

--------------

Dat niet alle vaste stoffen of kristallen op zullen lossen in water, speelt zich ook af tussen het 'verdampen' van vloeistoffen in lucht; niet alle ervoor in aanmerking komende vloeistoffen zullen tegen de heersende druk in, in lucht 'verdampen'.
Een duidelijk voorbeeld vormt het eerder genoemde propaan- of 'camping'gas, dat evenmin homogeen mengbaar met lucht is.
Alvorens hier op in te gaan, een duidelijk voorbeeld van een goed meetbare voornoemde "algemeenheid" bij het gasmengsel (volgens de T.S. 'oplossing') van waterdamp in lucht.

In de stoomtechniek wordt een hoog rendement gehaald door de afgewerkte stoom in een condensor te verdichten tot water, waarbij t.g.v. de zeer lage verzadigde stoom(-gas)druk bij de temperatuur van het door buizen stromende koelwater, een hoog vacuum wordt 'getrokken'.
Van essentiëel belang hierbij is het onttrekken van de eventueel in de machine aangezogen lucht, wat in het koelste gedeelte in de condensor afgezogen moet worden.

Vanuit voornoemde voorbeeld heb ik meerdere metingen verricht bij een mengsel van vloeibaar gas (welke als 'camping' gas algemeen verkrijgbaar is) en lucht:

In een afgesloten ruimte bevindt zich atmosferische lucht met een druk van 1 Bar.
Men maakt nu -zonder drukregelaar of reduceertoestel- een (slang-) verbinding met een z.g. Camping- gasflesje (een vloeibaar gasmengsel van propaan en butagas).
Bij een temperatuur van 15 oC werd -en bleef na lange tijd wachten- de druk van het lucht/ gasmensel 4,05 bar.
Met een gasbrander, aangesloten op het bovenste punt van de aangesloten (meng)gasruimte liet ik de aanwezige lucht zorgvuldig ontsnappen totdat een zuivere gasvlam aantoonde, dat er geen lucht meer aanwezig was.
Na het dicht draaien van de gasbrander kraan bleef de gasdruk -eveneens na lange tijd- (bij 15 oC) 4,05 bar.

Ik heb hierbij moeten constateren dat er bij een campinggas/ luchtmensel géén verdere verdamping van het vloeibare gas plaatsvindt nadat de bovenin gecomprimeerde lucht een druk had bereikt van de 'pure' verzadigde gasspanning (bij de heersende temperatuur) van het camping gas alléén.

Er vindt aldus bij bovenbeschreven proef géén opstapeling van individuële moleculaire drukken plaats maar doorgifte van de gasmoleculaire druk aan de luchtmoleculen.

------------

In de door mij geraadpleegde literatuur wordt gas ook wel beschreven als "elastic fluid" ;
terwijl het begrip "voeibaar gas" gebruikt wordt bij voornoemd flessegas.

Ook vanuit voorgaande, kunnen de beschrijvingen "elastic fluid" en "liquid gas" zelfs duiden op een zeer sterke overeenkomst tussen vloeistof en gas waarbij oorspronkelijke solitaire gasmoleculen alléén bij samenvoeging (boven een bepaalde druk..) in een vloeibare tussenfase over kunnen gaan.
Hierbij dient eveneens opgemerkt te worden dat vele vaste stoffen zonder vloeistof- tussenfase in de gasvorm over kunnen gaan (sublimeren) en dat er soms 'over en weer' tussen verschillende vloeistoffen en gassen onderling, vermengingen en/of -volgens de T.S.- oplossingen mogelijk zijn.
Deze voornoemde ('chemische') mogelijkheden kunnen welliswaaar door algemene gaswetten en/of thermokinetische zienswijzen niet uitgesloten worden maar laten zich hier m.i. niet door verklaren; ik bedoel hiermee: waarom de ene keer wèl en de andere keer niet !?

Ophelderend bij voorgaande conclusie is een hier volgend symbolisch fase- diagram :

A-B is de sublimatielijn; in dit gebied vergast de vaste stof zonder tussenkomst van vloeistof.
B is het Kritische- of tripel punt; beneden de bij dit punt horende temperatuur (of beter: druk), kan gas niet verdicht worden tot vloeistof .
B-C is de kooklijn.
B-D is de smeltlijn.
B----Dw is de smeltlijn van water.
Deze laatste afwijkende smeltlijn wordt toegeschreven aan de bijzondere situatie van water nabij het vriespunt ; in tegenstelling met het algemene verschijnsel dat stoffen bij warmte afvoer een kleiner volume innemen, krijgt water nabij het vriespunt een iets groter volume, terwijl ijs zelfs een dichtheid krijgt van 0,9 t.o.v. water. (ijs drijft op water)
Dit laatste verschijnsel lijkt tegenstrijdig met de kinetische warmtetheorie; wèl erkent men dat er hierbij een moleculaire hèrrangschikking of kristalvorming plaatsvindt.

Volgens de T.S. is het aannemelijk,dat er hier bij de vorming van ijskristallen (wederom !?) een samenvoeging optreedt bij de deelnemende thermosferen als men -bij 0oC en 1bar- warmte onttrekt; ook hierbij is het vermeldenswaardig dat de soortelijke warmte van ijs (2,09 kJ/kg.0C) wederom dezelfde waarde heeft gekregen als de S.W. van (oververhitte) stoom bij 1 bar, terwijl water een 'precies' 2x zo grote S.W.(4,187 kJ/kg.0C) heeft.

Dat ook water in de nabijheid van het vriespunt een groter volume heeft zou toegeschreven kunnen worden aan een meettechnische interpretatie indien de metingen onder bepaalde omstandigheden in de nabijheid van 'gesmolten' ijs zijn verricht; bij deze 'tussenfase' onder iets hogere druk wordt (volgens de T.S.) dus een hogere temperatuur getoond en zal het aangrenzende water dus warmer zijn. (met een groter volume dus)
Een voorbeeld van deze 'elektrische deken' is het -bij vorst voorspelling- besproeien met water van de 'bloesem' van vruchtbomen;

het vruchtbeginsel wordt hierbij middels een hogere temperatuur beschermd tegen de vorst.
Anders gezegd presenteert de temperatuur zich dus afwijkend in het grensgebied bij ijs/ gas ten opzichte van ijs/ vloeistof.

Bij de oververzadigings fase van vochtige lucht nabij 0oC zullen zich ook thermosferische variaties voor kunnen doen welke het begrip waterkoude en onderkoelde regen kunnen verklaren.
Een elementair condens deeltje bestaat (volgens de T.S.) hier namelijk uit één volwaardig vloeistof molecuul, welke omgrensd wordt door bijvoorbeeld 12 nog deels in lucht 'opgeloste' (dus gebonden) begrenzingsmoleculen; 12/13 of 92% van het oververzadigings- condensaat bevindt zich hierbij (nog) deels in oplossing.

Bij begrenzings moleculen 'expanderen' de thermosferen nog deels in de 'ijle' lucht en tonen hier t.g.v. de afnemende thermovibratie een hogere temperatuur dan een ingesloten vloeistofmolecuul. (zie hiertoe ook: views on electricity...)
Bij het samenclusteren van deze elementaire condensdeeltjes wordt dus een relatief steeds groter aantal betrokken moleculen ingesloten en gedwongen om 'uit hun oplossing te treden'.

Energetisch gesproken zijn er dus bij de vorming van zeer kleine condensdeeltjes minder warmteëffecten betrokken; bij samenvoeging van deze deeltjes wordt het benodigde restant hier alsnog bij betrokken.
In tegenstelling tot de warmte producerende reactie van waterdamp naar vloeistof, zal er nabij 0oC een warmte onttrekkende reactie plaatsvinden als de samenclusterende -van oorsprong- condensdeeltjes zich -bij het aldan tonen van een lagere temperatuur- tot ijskristallen moeten vormen.
Bij warm huidcontact spelen zich hierbij dus 2 gelijktijdige warmteonttrekkende reacties plaats namelijk:
1/ het (sterkere 'spontane') samenclusterend kristallisatie effect en
2/ het (langzamere 'oplossend') sublimeren naar waterdamp.

Hierbij nog even de Specifieke Warmtes herhalend van stoom: 2,09 ,water: 4,187 en ijs (wederom): 2,09 kJ/kg.oC

Back to index