5.4.2. Осмотическое давление.

Чтобы понять природу осмотического давления и вывести выражение, описывающее взаимосвязь между осмотическим давлением и активностью воды, обратимся к рисунку 5.2. Два отсека камеры разделены полупроницаемой мембраной, т.е. мембраной, которая пропускает молекулы растворителя, но не пропускает молекулы растворенного вещества. В левом открытом отсеке находится чистая вода (а_w=1), в правом отсеке, который герметически закрыт, – раствор низкомолекулярного вещества, например, сахарозы. Молекулы воды будут диффундировать через мембрану из отсека, где содержится чистая вода, в отсек с раствором сахарозы. Диффузия воды будет осуществляться по градиенту ее химического потенциала (химический потенциал чистой воды выше химического потенциала воды в растворе сахарозы). В то же время, движение молекул сахарозы в обратном направлении, т.е. из правого отсека в левый, окажется невозможным, так как мембрана не проницаема для растворенного вещества. При диффузии воды через мембрану давление в правом отсеке будет возрастать, и при достижении им некоторого значения система придет в равновесное состояние (_w^л = _w^пр, где индексы «л» и «пр» относятся к левому и правому отсеку, соответственно), и поток воды через мембрану прекратится. На основании этого и в соответствии с уравнением 5.1 мы можем записать _w^* + RTlna_w^л +. P^л = _w^* + RTlna_w^пр + P^пр (5.2). Так как после установления равновесия a_w^л остается равным 1, а P^л, в соответствии с выбранной нами точкой отсчета давления, равным 0, то RTlna_w^л = 0, и P^л= 0. Тогда, в соответствии с равенством 5.2,

RTlna_w^пр + P^пр=0. (5.3).

Дадим теперь определение осмотическому давлению.

Осмотическое давление – это давление, избыточное по отношению к атмосферному, которое необходимо приложить к раствору вещества, чтобы привести его в равновесие с чистым растворителем (или с раствором этого вещества иной концентрации), отделенным от него полупроницаемой мембраной. В соответствие с этим определением, осмотическое давление раствора сахарозы (^пр) равно избыточному гидростатическому давлению (P^пр), которое останавливает ток воды через мембрану. Заменив на этом основании в уравнении (5.3)P^пр на ^пр, получим:

^пр =  lna_w^пр

или для общего случая:

^ (5.4).

Следует подчеркнуть, что явление осмоса имеет место только в том случае, если два раствора (или раствор и чистая вода) отделены друг от друга полупроницаемой мембраной. При описании процессов водного обмена часто пользуются термином «осмотическое давление раствора» применительно к системам, в которых отсутствуют мембраны. Следует иметь в виду, что, используя его, подразумевают осмотическое давление, которое развивал бы раствор, находясь в осмотической ячейке.

Осмос и осмотические явления играют особую роль в жизни растений. Осмос приводит к возникновению тургорного давления в клетках. Тургорным давлением называется гидростатическое давление, возникающее в клетках при поглощении ими воды в результате осмоса. Это давление придает форму и упругость растительным тканям. Часто используемый в физиологии растений термин “тургор” является качественной характеристикой клеток, указывающий на наличие в них тургорного давления.

Представленная на рис. 5.2 осмотическая ячейка может служить моделью клетки, находящейся в водной среде, например, клетки пресноводной микроводоросли, которая лишена крупной центральной вакуоли. Роль полупроницаемой мембраны при этом выполняет ПМ. Поскольку растительные клетки имеют центральную вакуоль, которая занимает подавляющую часть клеточного объема, то в модельных системах КС, ПМ, цитоплазму и тонопласт рассматривают как одну мембрану, а роль внутреннего компартмента осмотической ячейки отводят вакуоли.