Осмотическое давление

В природе растворы часто разделены мембраной, проницаемой толь­ко для молекул растворителя. В таких случаях между ними возникает яв­ление, называемое осмосом. Осмос – это самопроизвольное проникновение молекул раство­рителя через мембрану из растворителя в раствор или из раствора с низкой концентрацией в раствор с более высокой концентрацией вещества.

Для возникновения осмоса необходимо растворы разных концентраций привести в соприкосновение через полупроницаемые мембраны, роль которых для водных растворов могут выполнять как животные и растительные мембраны (оболочка бычьего пузыря, стенки кишечника, оболочки клеток), так и искусственные мембраны (пленки из коллодия, целлофана, железистосинеродистой меди).

Простейший способ измерения избыточного гидростатического дав­ления представлен на рис.1.6.

Рис. 1.6. Измерение избыточного гидростатического давления

Высота столба жидкости в цилиндрической трубке прибора (площадь сечения берется равной 1 см²), при которой устанавливается динамическое равновесие, определяет осмотическое давление раствора.

Осмотическое давление прямо пропорционально числу молекул или коллоидных частиц, содержащихся в единице объема раствора, т.е. оно прямо пропорционально концентрации раствора. Кроме того, осмотическое давление прямо пропорционально температуре. Вант-Гофф объединил две эти закономерности, сведя их в одну формулу (уравнение Вант-Гоффа):

π = с^. R^. T , где

π – осмотическое давление;

с – концентрация раствора, моль/л;

R – коэффициент пропорциональности (универсальная газовая

постоянная).

Если концентрация раствора равна 1 моль/л, то согласно закону Вант Гоффа осмотическое давление этого раствора при О^о С будет равно:

π = 0,082 ^. 273 = 22,4 атм.

Если учесть, что коллоидные частицы во много раз крупнее частиц истинных растворов, то при одной и той же весовой концентрации этих растворов в единице объема золя частиц содержится намного меньше, чем в таком же объеме истинного раствора. Следовательно, осмотическое давление в золях очень мало по сравнению с таковым истинных растворов. Так, осмотическое давление 1%-го раствора глюкозы равно 509 мм ртут­ного столба, тогда как давление 1%-го золя оксида мышьяка (Аs₂О₃) – 0,026 мм рт. ст.

Пример. Вычислить осмотическое давление 0,5 М раствора сахарозы при 37^о С.

Осмотическое давление вычисляем по формуле:

π = с^. R^. T

π = 0,5 ^. 0,082 ^. (273+37) = 0,5 ^. 0,082 ^. 310 = 12,7 (атм.)

Кроме того, золи характеризуются очень малым понижением темпе­ратуры замерзания и повышением температур кипения по сравнению с этими свойствами истинных растворов.

Биологическое значение явления осмоса

Благодаря осмосу происходят оводнение клеток, что придает им форму, обусловливает тургор, способствуя поддержанию эластичности и упругости. Вода необходима клеткам для осуществления множества реакций – гидролиза, гидратации, окисления и др. Для ионов натрия и калия мембраны клеток непроницаемы (существуют «насосы» для пере­носа их через мембрану).

Если осмотическое давление раствора равно таковому стандартного раствора, то раствор этот называется изотоническим; если давление раствора больше давления стандартного раствора, то это гипертонический раствор, и если оно меньше, чем давление стандартного раствора – гипотонический раствор. В качестве стандартного раствора принято считать жидкие системы организма. Кровь, лимфа, тканевые жидкости – это водные растворы многих различных молекул и ионов. Их суммарное осмотическое давле­ние при 37°С равно 7,7 атм., что способствует достаточному оводнению клеток и межклеточных структур и нормальному течению многообразных физических и химических процессов. Такое же давление имеет 0,9% (или 0,15 М) раствор хлорида натрия. Этот раствор называется физиологическим. Сейчас туда добавляют и другие соли, белки и т.д.

Если живую клетку поместить в гипотонический раствор, напри­мер в воду, то она набухнет от поступающих в нее молекул воды и лопнет. Это явление называют лизисом. В случае эритроцитов, лизис получил название гемолиз, т.к. при этом из клетки выходит гемо­глобин, и вода окрашивается в красный цвет,

В гипертонических растворах вода, наоборот, уходит из клетки, и она сморщивается. Это явление – плазмолиз.

У высокоорганизованных животных и человека осмотическое дав­ление весьма постоянно. Это явление называется изоосмией, оно вхо­дит в понятие гомеостаза. Понижение осмотического давления путем введения больших количеств воды или в результате интенсивной по­тери солей с потом, мочой может вызвать рвоту, судороги и даже гибель.

Повышение же осмотического давления введением больших коли­честв солей приводит к перераспределению солей. Вода скапливает­ся в тех тканях, в которых откладываются избыточные количества солей, вызывая их отеки, в то же время обезвоживание слизистых оболочек вызывает чувство жажды, нарушает нормальную деятельность нервной системы и других органов.