7.10. Осмос

Рассмотрим диффузию вещества через полупроницаемую мембрану, которая разделяет раствор и чистый растворитель; такая мембрана в состоянии пропускать молекулы растворителя, но не пропускает молекулы растворенного вещества. Осмос – это проникновение чистого растворителя через полупроницаемую мембрану в раствор. Для водных растворов осмос означает переход воды из участка с высокой концентрацией воды в участок с низкой концентрацией воды. Полупроницаемая мембрана  это тонкий слой материала, способный пропускать определенные вещества через себя и задерживать другие. В качестве примера можно привести возможность полупроницаемых мембран пропускать малые молекулы кислорода, воды, двуокиси углерода, глюкозы, аминокислот, тогда как большие молекулы сахаров, крахмала и белков не проходят через эти мембраны.

Перенос молекул растворителя обусловлен осмотическим давлением. Выравнивание концентраций по обе стороны мембраны, которая пропускает малые молекулы растворителя, но задерживает большие молекулы растворенного вещества, возможно лишь при односторонней диффузии растворителя. Именно поэтому осмос всегда осуществляется в направлении от чистого растворителя к раствору (или от разбавленного раствора к концентрированному).

Если погрузить раствор, отделенный от внешнего пространства мембраной, в чистый растворитель (рис. 7.10) при одинаковом гидростатическом давлении,

Рис. 7.10. Суммарная диффузия растворителя в раствор через полупроницаемую мембрану

произойдет суммарная диффузия растворителя в раствор. Диффузия закончится, когда будет достигнуто определенное, осмотическое давление в растворе. Осмотическое давление можно измерить – оно равно тому избыточному давлению, которое необходимо приложить со стороны раствора, чтобы остановить осмос. Биологические вещества представляют собой слабые водные растворы, в которых вода занимает до 95% объема; таким образом, осмотические потоки через биологические мембраны обусловливают водные потоки из участков высокой концентрации воды (слабые растворы) в участки низкой концентрации воды (более концентрированные растворы). В вакуолях растительных клеток содержатся растворы солей, сахаров, органические кислоты и аминокислоты. Вследствие этого клетки постоянно осмотически поглощают воду и образуют внутреннее гидростатическое давление, называемое тургорным. Это давление направлено на клеточную оболочку и делает ее упругой. Одновременно клеточная оболочка противодействует осмотическому давлению; это действие клеточной оболочки на цитоплазму характеризуется осмотическим потенциалом. Когда устанавливается динамическое равновесие, поступление воды в клетку прекращается. Осмотическая концентрация вакуолярного сока в клетках надземной части растения более высокая, чем в клетках корня; именно благодаря этому вертикальному градиенту осмотической концентрации сок достигает верхушки растения. Таким образом, осмотическое давление в растительном организме – один из важнейших факторов, влияющих на распределение воды и питательных веществ.

В разбавленных растворах растворенное вещество напоминает идеальный газ, поэтому к этому веществу можно применить законы идеального газа. Зависимость осмотического давления от концентрации растворенного вещества совпадает по форме с уравнением КлапейронаМенделеева:

р_осмV = RT, (7.36)

где р_осм – осмотическое давление; Т – абсолютная температура; = n  количество молей растворенного вещества в объеме V; m – масса растворенного вещества; М  молярная масса растворенного вещества; R = 8,314 Джмоль^-1К^-1  универсальная газовая постоянная.

Если ввести в формулу (7.36) концентрацию раствора, то можно получить уравнение Вант-Гоффа:

р_осм = C_ART , (7.37)

где С_А = n/V – молярная концентрация растворенного вещества.

Пример

Определить осмотическое давление, если молярная концентрация растворенного вещества равна 450 мольм^-3 при температуре 300 К.

Решение

Осмотическое давление в соответствии с уравнением (7.36) будет равно:

р_осм = (8,31 Джмоль^-1К^-1)(300 К)(450 мольм^-3) = 1,12 МПа,

то-есть превышает атмосферное давление почти на порядок.