Розділ 1. Теоретичний огляд

Тема 1 молекулярно – кінетичні властивості розведених розчинів

1. Дифузія

Дифузія – мимовільний процес розподілення молекул, атомів, іонів, колоїдних міцел в газах, рідинах та твердих речовинах, що призводить до встановлення рівномірної концентрації по всьому об’єму. Дифузія виникає в результаті хаотичного руху частинок (молекул, атомів, іонів, міцел). Швидше всього відбувається в газах, повільніше - в рідинах і дуже повільно - у твердих тілах. Це пов’язане з відстанню між частинками і характером теплового руху частинок у цих середовищах. Дифузія частинок відбувається від областей з найбільшою концентрацією до областей з найменшою концентрацією в даній системі і продовжується до моменту рівномірного розподілення цих частинок по всьому об’єму розчинника. Потім вона зупиняється, але в системі залишається хаотичний рух рівномірно розміщених частинок даної системи.

З дифузією пов’язані такі біологічні процеси в живому організмі, як всмоктування продуктів травлення в травному каналі, дихання, виведення продуктів метаболізму, проведення нервових імпульсів, живлення клітин та ін. Для живих клітин характерні проста, обмежена, обмінна та інші виді дифузії.

Швидкість дифузії залежить від температури (закон Фіка). Це можна пояснити з позиції атомно – молекулярної теорії. Всі речовини складаються з молекул, які мають різні запаси кінетичної енергії. При зіткненні між собою взаємодіють лише ті молекули, які мають надлишок енергії (активні молекули). Швидкість хімічної реакції залежить від співвідношення активних і неактивних молекул. Збільшення швидкості реакції при збільшенні температури пояснюється підвищенням не тільки середньої кінетичної енергії молекул, але і тих молекул, які мають енергію вище визначеного рівня (гарячих молекул).

Швидкістю хімічної реакції називається зміна концентрації будь якої речовини, що приймає участь у реакції за одиницю часу в одиниці об’єму. Але у хімічній реакції можуть приймати участь декілька компонентів, тому мають на увазі не швидкість хімічного процесу взагалі, а швидкість перетворення будь якого компоненту, або швидкість за деяким компонентом.

Залежність швидкості реакції від концентрації реагуючих речовин визначається законом дії мас (К.Гульдберг, П. Вааге), згідно якому при постійній температурі швидкість реакції у кожний момент часу прямо пропорційна добутку концентрації реагуючих речовин.

1.2. Проникність клітин. Осмотичні властивості клітин

Для своєї життєдіяльності клітини потребують безперервного припливу поживних речовин із навколишнього середовища. Проникність клітини характеризується швидкістю проходження речовин через клітинну поверхню

Рослинні і тваринні клітини у своєму складі містять багато води. У тваринних клітинах її близько 80%, а у деяких рослинних клітинах, які мають велику центральну вакуолю – до 95%.

У розчинах деяких речовин рослинні клітини, які мають центральну вакуолю, поводять себе як осмометри: їх об’єм (V) змінюється пропорційно зміні осмотичного тиску середовища (Р) або VP= const. Це пояснюється тим, що вміст клітини відокремлений від зовнішнього водного розчину напівпроникною мембраною, легко проникною для молекул води і важко, або зовсім не проникною для молекул розчинених у ній речовин. Цим і визначаються осмотичні властивості клітини.

Осмос – це однобічна дифузія розчинника через напівпроникну перегородку (мембрану). Осмос обумовлений прагненню системи до термодинамічної рівноваги і вирівнюванню концентрації розчину по обидва боки мембрани. Процес дифузії молекул розчинника під час осмосу відбувається у двох напрямках – із розчину з меншою концентрацією розчиненої речовини (або чистого розчинника) і розчину з більшою концентрацією розчиненої речовини. Але у розчині з більшою концентрацією розчиненої речовини кількість молекул розчинника в одиниці об’єму менше, тобто кількість розчинника, який проходить за одиницю часу через мембрану у бік такого розчина більша, ніж у бік розчину з меншою концентрацією. Різниця цих двох дифузійних потоків і обумовлює потік розчинника до розчину. Осмос продовжується до тих пір, поки концентрація розчиненої речовини по обидва боки мембрани не стане однаковою.

Якщо рослинні клітини покласти в розчини речовин, осмотичний тиск яких вищий від осмотичного тиску вмісту клітини (гіпертонічні розчини), при умові, що молекули розчиненої речовини не проникають у клітину, то клітини будуть втрачати воду доти, поки осмотичний тиск усередині клітини не вирівняється з зовнішнім осмотичним тиском. Причому протопласт відокремлюється від целюлозної оболонки, зменшуючись в об’ємі (плазмоліз). Цей процес називається екзосмосом.

Якщо молекули розчиненої речовини проникають у клітину, але з меншою швидкістю, ніж молекули води, то спочатку відбудеться плазмоліз, але в міру проникання молекул із зовнішнього розчину в клітину об’єм протопласта збільшуватиметься і з часом досягне вихідної величини (деплазмоліз). Осмотичний тиск усередині клітини й зовнішньому середовищі буде однаковий. Якщо молекули зовнішнього розчину проникають крізь клітинну мембрану з такою самою швидкістю, як і молекули води, то об’єм протопласта змінюватися не буде і плазмоліз не відбудеться.

Якщо клітини покласти в розчини речовин, осмотичний тиск яких нижчий від осмотичного тиску вмісту клітини (гіпотонічні розчини), то відбувається зворотній процес, який називається ендоосмосом, тобто осмос проходить усередину клітини. При цьому клітина розбухає, або, при великій різниці концентрацій, відбувається руйнація мембрани і вміст клітини виходить назовні. Якщо клітини представлені еритроцитами спостерігається явище гемолізу, тобто гемоглобін виходить до розчину.

Якщо клітини покласти в розчини речовин, осмотичний тиск яких дорівнює осмотичному тиску вмісту клітини (ізотонічні розчини), то ніяких змін не відбувається. Найпростішим ізотонічним, або фізіологічним розчином є 0,89% розчин NaCl.