Осмос Диффузия и осмос
Как известно, при температуре выше абсолютного нуля все молекулы находятся в постоянном беспорядочном движении. Это показывает, что они обладают определенной кинетической энергией. Благодаря постоянному движению при смешении двух жидкостей или двух газов их молекулы равномерно распределяются по всему доступному объему.
Диффузия — это процесс, ведущий к равномерному распределению молекул растворенного вещества и растворителя. Как всякое движение, диффузия требует энергии. Диффузия всегда направлена от большей концентрации данного вещества к меньшей, от системы, обладающей большей свободной энергией, к системе с меньшей свободной энергией. Свободной энергией называется часть внутренней энергии системы, которая может быть превращена в работу. Свободная энергия, отнесенная к 1 молю вещества, носит название химического потенциала. Таким образом, химический потенциал — это мера энергии, которую данное вещество использует на реакции или движение. Химический потенциал — функция концентрации. Скорость диффузии зависит от температуры, природы вещества и разности концентраций. Чем выше концентрация данного вещества, тем выше его активность и его химический потенциал. Диффузионное передвижение вещества всегда идет от большего к меньшему химическому потенциалу. Наибольший химический потенциал у чистой воды. (Почему?) Добавление к воде молекул растворенного вещества приводит к возникновению связи между молекулами воды и растворенного вещества, что уменьшает ее активность, ее свободную энергию, ее химический потенциал. В том случае, если диффундирующие вещества встречают на своем пути мембрану, движение замедляется, а в некоторых случаях прекращается. Диффузия воды по направлению от своего большего к меньшему химическому потенциалу через мембрану носит название осмоса. Иначе говоря, осмос — это диффузия воды или другого растворителя через полупроницаемую перепонку, вызванная разностью концентраций или разностью химических потенциалов.
Коллигативные свойства
Это те свойства, которые при данных условиях и для данной группы тел оказываются равными и независимыми от их химической природы и большей или меньшей элементарной сложности. Таковы, напр.: равенство давлений газов (при данной температуре опыта), если они заключены в равные по объему приборы в равно молекулярных количествах; равенство давлений паров, т. е. температур кипения, и температур замерзания жидких изосмотических растворов, образованных данной жидкостью и любыми растворенными в ней телами и т. д. Коллигативными свойствами мы почти исключительно пользуемся для установления молекулярных весов.
Осмотическое давление разбавленных растворов. Представим себе два сосуда, расположенных один в другом (рис. Просм.). При этом пусть через дно внутреннего сосуда сделано из материала, сквозь который проходит растворитель, не может проходить растворенное вещество.
Такие материалы называются полупроницаемыми. По отношению к водным растворам такими свойствами обладают как некоторые естественные продукты растительного или животного происхождения (например, оболочка бычьего пузыря), так и материалы, полученные искусственно (пленка коллодия). Полупроницаемую перепонку можно получить, например, осаждая железистосинеродистую медь в порах неглазурованного фарфорового цилиндра.
Наружный сосуд наполним водой, а во внутренний поместим водный раствор, например, сахара.
Хотя вода может проникать через такую полупроницаемую перегородку в обе стороны, но скорость ее прохождения из наружного сосуда во внутренний будет больше, чем в обратном направлении. Это явление — самопроизвольный переход растворителя в раствор, отделенный от него полупроницаемой перепонкой, — называется осмосом. Оно играет важную роль в жизнедеятельности растительных и животных организмов.
Осмос можно объяснить, в частности, тем, что концентрация молекул воды в единице объема в наружном сосуде больше, чем во внутреннем, или тем, что молекулы воды в растворе частично связываются молекулами сахара, гидратируя их. Пока еще не выяснено, в какой мере те или другие причины играют здесь роль. В разбавленных растворах осмос не зависит в явной форме от вида растворенного вещества и растворителя. Решающее значение имеет концентрация раствора, точнее — число частиц растворенного вещества в единице объема раствора. Явление осмоса связано с тем, что всегда растворитель обладает большей способностью к выходу из чистой фазы, чем из раствора.
Рассмотрим, что происходит в приборе, изображенном на рисунке. Из наружного сосуда вода будет проходить во внутренний и подниматься по трубке, соединенной с внутренним сосудом. При этом будет повышаться гидростатическое давление, под которым находится раствор во внутреннем сосуде. Вследствие этого скорость перехода молекул воды из внутреннего сосуда в наружный увеличивается. Наконец, при некоторой высоте Н столба раствора в трубке скорости прохождения воды из наружного сосуда во внутренний и из внутреннего в наружный сравняются, и подъем жидкости в трубке прекратится. Давление, которое отвечает такому равновесию, может служить количественной характеристикой явления осмоса. Оно называется осмотическим давлением. Таким образом, осмотическое давление равно тому давлению, которое нужно приложить к раствору, чтобы привести его в равновесие с чистым растворителем, отделенным от него полупроницаемой перепонкой.
Описанный метод дает возможность измерять осмотическое давление. При некотором усложнении установки оказывается возможным производить измерения осмотического давления с высокой точностью. Соответствующие измерения, произведенные для большого числа растворов различных веществ, при различных концентрациях и температурах, позволили найти зависимость осмотического давления от этих факторов. Для разбавленных растворов эта зависимость оказалась очень простой.
Влияние изменения коцентрации раствора можно в качественной форме легко представить. Очевидно, что когда концентрация равна нулю, то и осмотическое давление равно нулю. По мере растворения сначала небольших, потом все больших количеств растворяемого вещества будет увеличиваться различие в скоростях перехода воды через полупроницаемую перегородку в различных направлениях и, следовательно, будет возрастать осмотическое давление. Опытные данные позволяют установить, что в достаточно разбавленных растворах осмотическое давление π при постоянной температуре прямо пропорционально концентрации, растворенного вещества, т. е. (формула).
Сравнение осмотического давления одних и тех же растворов при различных температурах приводит к выводу, что осмотическое давление изменяется прямо пропорционально абсолютной температуре. Отношение осмотического давления к температуре для данного раствора постоянной концентрации действительно сохраняет постоянное значение. Таким образом (формула).
Что касается влияния вида растворенного вещества и растворителя, то оказалось, что в растворах, к которым применимо последнее уравнение, осмотическое давление совсем не зависит ни от вида растворенного вещества, ни от растворителя и коэффициент пропорциональности К в этом уравнении является универсальной постоянной, которая к тому же численно равна газовой постоянной R.
Таким образом, зависимость осмотического давления от концентрации и температуры может быть представлена соотношением (формула).
Это уравнение применимо к любым достаточно разбавленным растворам, за исключением растворов, в которых происходит электролитическая диссоциация. Последняя приводит к образованию в растворе большего числа частиц растворенного вещества и этим вызывает большее осмотическое давление. В разбавленных растворах, независимо от вида растворителя и от вида растворенного вещества, осмотическое давление, при данной температуре определяется только одной величиной — концентрацией молекул растворенного вещества (числом их в единице объема раствора), независимо от того, какие это молекулы и в какой среде они находятся.
Следует обратить внимание на то, что осмотическое давление может достигать значительной величины. Так, при О°С даже для такой малой концентрации, так один моль растворенного вещества в 22,4л раствора, оно равно 760 мм рт. ст. Растворы, осмотические давления которых одинаковы, называются изотоническими (изоосмотическими).
Осмос воды в организме
Рассмотрим, что собой представляет осмос воды в организме. У животных и людей вода поступает в организм главным образом через пищеварительный тракт, который она должна покинуть, чтобы проникнуть в ткани.
Это происходит благодаря осмосу, процессу, при котором вода попадает сквозь мембрану из одного тканевого отсека в другой.
Когда две жидкости разной плотности разделены проницаемой мембраной, вода движется из менее концентрированной среды (той, в которой во взвешенном состоянии содержится меньше твердых частиц) в более концентрированную, пока плотности двух жидкостей не станут равными. Это возможно благодаря тому, что более плотная жидкость оказывает давление на менее концентрированную. Поскольку мембрана, разделяющая жидкости, является проницаемой, вода из менее концентрированной среды проникает в более плотную и разбавляет ее. В то же время менее концентрированная жидкость увеличивает свою плотность, поскольку теряет часть воды, которая переходит в концентрированную среду, и таким образом между двумя жидкостями устанавливается равновесие.
Количество воды, поступившей через мембрану, зависит от силы осмотического давления, которое в свою очередь зависит от разницы в концентрации жидкостей. Если жидкости по разные стороны мембраны находятся в равновесии и оказывают на нее одинаковое давление, то результирующий поток равен нулю.
Некоторые мембраны обладают так называемой избирательной проводимостью. Это значит, что помимо воды они могут пропускать определенные твердые частицы, например минералы, глюкозу и т. п. Перемещение твердых частиц обычно происходит в обратном перемещению жидкости направлении. Это способствует более легкому и быстрому уравновешиванию двух сред. Поэтому плотность жидкости снижается не только за счет притока воды, но и с оттоком твердых частиц.
Клеточные мембраны обладают избирательной пропускной способностью. Они проводят калий, но останавливают натрий и хлор. Поэтому последние элементы, которые при соединении образуют хлорид натрия (обычную соль), можно обнаружить на внешней поверхности клетки.
Но это не значит, что натрий не может проникнуть в клетку. Наряду с пассивным процессом осмоса в клетках имеет место еще один, активный, процесс, заставляющий клетки поглощать элементы, которые при обычных условиях клеточная мембрана не пропускает. Данное поглощение происходит благодаря системе, известной как натриевый насос.
Осмотический обмен происходит во всех клеточных мембранах и слизистых оболочках организма. Они снабжают ткани водой и обеспечивают непрерывный обмен и движение жидкостей организма.
Осмос обусловлен стремлением системы к термодинамическому равновесию и выравниванию концентраций растворов по обе стороны мембраны путем односторонней диффузии молекул растворителя. Поскольку мембрана полупроницаема, т.е. проницаема для небольших молекул растворителя (например, воды) и непроницаема для молекул растворенного вещества, Осмос. всегда направлен от чистого растворителя к раствору или от менее концентрированного раствора к более концентрированному. Осмос характеризуется осмотическим давлением, количественно оцениваемым как давление на раствор, отделенный от чистого растворителя полупроницаемой мембраной, при котором прекращается Осмос и устанавливается осмотическое равновесие по обе стороны мембраны. При увеличении осмотического давления, например в тканевой жидкости, являющейся растворителем минеральных и органических веществ в организме, жидкость поступает из клетки в межклеточное пространство (экзоосмос) и, наоборот, при уменьшении давления — из межклеточного пространства в клетку (эндоосмос). Растворы с осмотическим давлением, равным осмотическому давлению клеточной жидкости, называются изотоническими или изоосмотическими; растворы с более высоким или более низким, чем в клетке, давлением — соответственно гипертоническими и гипотоническими.
Физические механизмы Осмоса. лежат в основе дезинтоксикационного, гипотензивного, диуретического и желчегонного действия гипертонических растворов лекарственных веществ — таких, например, как 3—10% раствор хлорида натрия, 25% раствор сульфата магния, 30% раствор тиосульфата натрия, 10—40% растворы глюкозы. При местном применении гипертонические растворы, в частности раствор хлорида натрия, оказывают противомикробное и противовоспалительное действие. Под их влиянием микробные клетки теряют воду, сморщиваются, жизнедеятельность их резко снижается; при воспалительных процессах уменьшаются гиперемия и отек.
Осмос играет важную роль в регуляции водно-солевого обмена и поддержании концентрации ионов различных веществ в жидкостях внутренней среды организма на постоянном уровне. Путем Осмоса. осуществляется транспорт воды через эпителий кишечника, через эпителий почечных канальцев в процессе концентрации мочи, обмен воды между тканевой жидкостью и кровью.
Поддержание водно-солевого баланса организма обеспечивается комплексом физиологических и физико-химических механизмов осморегуляции, включающим осморецепторы, образующие рефлексогенные зоны в различных органах и тканях, а также в гипоталамической области головного мозга, и волюморецепторы сердечно-сосудистой системы. Осморецепторы гипоталамуса тесно связаны с нейросекреторными ядрами, регулирующими синтез антидиуретического гормона вазопрессина. При повышении осмотического давления крови вследствие потери организмом воды или избыточного поступления в него соли происходит возбуждение осморецепторов, усиливается реабсорбция воды почечными канальцами и уменьшается диурез. Одновременно возбуждаются нервные механизмы, обусловливающие возникновение жажды. При избыточном поступлении воды в организм образование и выделение антидиуретического гормона резко снижаются, что приводит к уменьшению обратного всасывания воды в почках. Особая роль в поддержании физиологической величины осмотического давления принадлежит ионам натрия. Содержание натрия в плазме крови регулируется почками. Избыточное выведение натрия из организма или недостаточное поступление его с пищей может привести к обезвоживанию организма.
Роль осмотического буфера при изменениях осмотического давления может выполнять и сама кровь, что связано, по-видимому, с перераспределением ионов между плазмой и эритроцитами, а также способностью белков плазмы связывать и отдавать ионы. Важное значение в обмене воды между кровью и тканевой жидкостью имеет доля осмотического давления, обусловленная белками плазмы и называемая онкотическим давлением.
Онкотическое давление - часть осмотического давления, создаваемая высокомолекулярными компонентами раствора. В плазме крови человека составляет лишь около 0,5 % осмотического давления (3—4 кн/м², или 0,03—0,04 ат). Тем не менее онкотическое давление играет важнейшую роль в образовании межклеточной жидкости, первичной мочи и др. Стенка капилляров свободно проницаема для воды и низкомолекулярных веществ, но не для белков. Скорость фильтрации жидкости через стенку капилляра определяется разницей между онкотическим давлением белков плазмы и гидростатическим давлением крови, создаваемым работой сердца. На артериальном конце капилляра солевой раствор вместе с питательными веществами переходит в межклеточное пространство. На венозном конце капилляра процесс идёт в противоположном направлении, поскольку венозное давление ниже онкотического давления. В результате в кровь переходят вещества, отдаваемые клетками. При заболеваниях, сопровождающихся уменьшением концентрации в крови белков (особенно альбуминов), онкотическое давление снижается, и это может явиться одной из причин накопления жидкости в межклеточном пространстве, в результате чего развиваются отёки.
Обратный осмос— прохождение воды или других растворителей через полупроницаемую мембрану из более концентрированного раствора в менее концентрированный в результате воздействия давления, превышающего разницу осмотических давлений обоих растворов. При этом мембрана пропускает растворитель, но не пропускает некоторые растворённые в нём вещества.
Обратный осмос используется в различных технологиях очистки воды от примесей, в том числе для опреснения воды и очищения питьевой воды для различных целей с начала 1970-х годов.