Осмотическое давление и его измерение

Прибор, применяемый для количественного изучения осмоса, называется осмометром. Простейший осмометр представляет собой сосуд 1, дно которого является полупроницаемой перегородкой. К сосуду приварен тонкий капилляр. Сосуд 1 содержит разбавленный раствор сахара. Полупрницаемая перегородка (дно сосуда 1) может пропускать только молекулы воды (но не молекулы сахара!). Если сосуд 1 опустить в стакан 2, заполненный водой, то молекулы воды будут диффундировать в сосуд 1, где концентрация молекул воды меньше, чем в стакане 2.

Сила (на единицу площади), заставляющая растворитель переходить через полупроницаемую перегородку в раствор (находящийся при том же внешнем давлении, что и растворитель), называется осмотическим давлением.

В следствии осмоса уровень раствора в сосуде 1 повышается,

Рис 1.Простейший прибор для измерения осмотического давления: 1 – внутренний стакан; 2 – внешний стакан.

Вследствие осмоса уровень раствора в сосуде 1 повышается, создавая дополнительное давление, которое препятствует осмосу. При некоторой высоте h столба жидкости в сосуде 1 дополнительное давление достигает такой величины, при которой осмос прекращается. Устанавливается равновесие между раствором данной концентрации и чистым растворителем, разделёнными полупроницаемой перегородкой. Увеличивая извне давление в сосуде 1, можно заставить воду переходить из сосуда 1 во внешний сосуд 2. При этом концентрация раствора в сосуде 1 будет возрастать до тех пор, пока не достигнет значения, соответствующего увеличенному давлению; установится новое равновесие между раствором и растворителем.

Таким образом,

Равновесию между раствором заданной концентрации и чистым растворителем, разделёнными полупроницаемой перегородкой, соответствует определённое гидростатическое давление в сосуде с раствором.

Гидростатическое давление, равное высоте h, препятствующее односторонней диффузии растворителя, численно равно осмотическому давлению π_осм раствора.

В 1887 г ботаник Пфеффер экспериментально установил две закономерности, которым подчиняется осмотическое давление неэлектролита.

1. В разбавленных растворах неэлектролита при данной температуре осмотическое давление прямо пропорционально концентрации

π_осм = К₁С

2. При одной и той же концентрации С (моль/л) осмотическое давление разбавленного раствора прямо пропорционально абсолютной температуре

π_осм= К₂С

Вант-Гофф обратил внимание на аналогию между законами Пфеффера и газовыми законами Гей-Люссака и Бойля-Мариотта. Анализируя числовые данные, он пришел к выводу, что величину осмотического давления можно вычислять по следующей формуле:

π_осм = СRT,

где С – концентрация вещества в растворе, R – универсальная газовая постоянная, Т – абсолютная температура.

Это выражение носит название закона Вант-Гоффа для осмотического давления. Приведём формулировку закона, данную Вант-Гоффом:

Осмотическое давление разбавленного раствора неэлектролита равно тому давлению, которое производило бы растворённое вещество, если бы оно при той же температуре находилось в газообразном состоянии и занимало объём, равный объёму раствора.

Однако, несмотря на сходство с уравнением состояния идеальных газов, аналогия между осмотическим и газовым давлением случайна.

В биологических жидкостях (моча, плазма, слюна, молоко и др.) в больших количествах содержатся неорганические и органические вещества в виде молекул, ионов и коллоидных частиц. Их суммарная концентрация носит название осмотической концентрации (или осмолярности). и именно эта величина должна быть использована в уравнении Вант-Гоффа.

Осмолярная концентрация – суммарное молярное количество всех кинетически активных, т.е.э способных к самостоятельному движению, частиц, содержащихся в 1 литре раствора, независимо от их формы, размера и природы.

Осмолярная концентрация раствора связана с его молярной концентрацией через изотонический коэффициент c_осм =ic(x). Это очень важно учитывать при приготовлении физиологических растворов. Осмотические свойства тканей следует учитывать также и в медицине при внутривенных вливаниях лекарств. Вводимый раствор не должен быть токсичным, а кроме того, необходимо, чтобы его осмотическое давление было таким же, как у кровяной плазмы, иначе говоря, вводимый раствор должен иметь такое же осмотическое давление. Например, так называемый физиологический раствор, который можно вводить человеку внутривенно в больших количествах, является изотоническим раствором хлорида натрия. При приготовлении физиологических растворов необходимо учитывать их осмотические свойства.

Роль осмотических явлений в различных физиологических процессах чрезвычайно велика. Постоянство осмотического давления (изоосмия) тех или иных физиологических сред (плазма, внутриклеточная жидкость, моча и т.д.) представляют собой фундаментальное физико-химическое требование гомеостаза. Осмотическое давление плазмы крови человека составляет около 8 атмосфер, у рыб ≈ 15, у отдельных растений может достигать 100, а у прорастающих семян – до 400 атмосфер. Столь высокие значения осмотического давления достигаются за счёт суммарного эффекта растворённых неорганических веществ. В плазме наиболее значимым компонентом является NaCl.

На долю ВМС – белков – приходится незначительная часть от общего давления, называемая онкотическим давлением. Величина онкотического давления крови, вызываемого альбуминами и глобулинами, составляет 0,03 – 0,04 атм. Однако эта незначительная составляющая от общего осмотического давления играет принципиальную роль в некоторых физиологических процессах.

Осмотический метод применим также для определения молекулярной массы высокомолекулярных соединений. Зависимость осмотического давления растворённого вещества от его концентрации описывается соотношением

π_осм= gRT/M + A∙g²

или

π_осм/g = RT/M + A∙g

где g – масса вещества в граммах, М – молярная масса полимера.

Для электролитов, в растворах которых при диссоциации молекул увеличивается число частиц, Вант-Гофф предложил использовать изотонический коэффициент i, который учитывает изменение числа частиц в растворе. Физический смысл этого коэффициента следующий:

i = число всех частиц в растворе/число исходных частиц

Для растворов неэлектролитов i = 1, а для растворов электролитов вследствие диссоциации их молекул i > 1:

Электролит NaCl CaCl₂ Na₃PO₄

I(максим.) = 2 3 4

Если в растворе идёт процесс ассоциации частиц, то i < 1.

Для растворов электролитов формулу Вант-Гоффа записывают так: π_осм= iCRT.

Если у двух растворов осмотическое давление одинаковое, то эти растворы называются изотоническими и между ними происходит подлинно равновесный обмен молекулами растворителя.

Если в контакте два раствора с разными π_осм , то раствор с большим π_осм называют гипертоническим, а с меньшим π_осм - называют гипотоничсеским. Гипертонический раствор будет всасывать растворитель из гипотонического вследствие стремления к выравниванию концентрации веществ за счёт перераспределения растворителя между этими растворами.

Осмотическая ячейка – это система, отделённая от окружающей среды мембраной с избирательной проницаемостью. Все клетки живых существ – осмотические ячейки.

Явление движения растворителя из окружающей среды в осмотическую ячейку называют эндосмосом.

Условия эндосмоса: С_внутр. > С_наруж.; π_{осм(внутр.)} > π_{осм(наруж.)}.

В результате эндосмоса вода диффундирует в клетку, происходит набухание клетки с появлением напряженного состояния клетки, называемого тургор. В растительном мире тургор помогает растению сохранять вертикальное положение и определённую форму.

Если разница в концентрациях наружного и внутреннего раствора достаточно велика, а прочность оболочки клетки небольшая, то эндосмос приводит к разрушению клеточной мембраны и лизису клетки. (Напомним, что лизис это разрушение, распад, растворение клеток).

Эндосмос является причиной гемолиза (гематолиза) – разрушения эритороцитов крови с выделением в окружающую среду гемоглобина. В норме гемолиз завершает жизненный цикл эритроцитов (приблизительно 125 суток) и происходит в организме человека и животных непрерывно. Патологический гемолиз происходит под влиянием гемолитических ядов, холода, некоторых лекарственных веществ и других факторов.

Кроме эндосмоса возможен экзосмос:

экзосмос – это движение растворителя из осмотической ячейки в окружающую среду.

Условия экзосмоса: С_наруж.> С_внутр.; π_{осм(наруж.)} > π_{осм(внутр.)}.

В результате экзосмоса вода диффундирует из клетки в плазму и происходит сжатие и сморщивание оболочки клетки, называемое плазмолизом. Экзосмос имеет место, если клетка оказывается в гипертонической среде. Явление экзосмоса наблюдается, например, при посыпании ягод или фруктов сахаром, а овощей, мяса, рыбы – солью. При этом происходит консервирование продуктов питания благодаря уничтожению микроорганизмов вследствии их плазмолиза.

Любое нарушение осмотического давления в тканях вызывает различные заболевания (так, например, отёки связаны с нарушением осморегуляции).

Временные нарушения осмотических свойств тканей вызывают различные физиологические ощущения. Например, чувство жажды, возникающее после приёма большого количества солёной пищи, связано с тем, что при этом возрастает содержание солей в клеточном соке организма. Потребность организма в воде для уменьшения осмотического давления тканевых растворов проявляется в виде чувства жажды. Известно, что в период сильной жары туристам и солдатам во время походов, а также рабочим горячих цехов дают солёное питьё (а ещё лучше поваренную соль). Этот, на первый взгляд, парадокс объясняется весьма просто. При сильной жаре с потом из организма удаляется значительное количество солей. Поскольку содержание солей в поте выше, чем в клеточном соке тканей человека, это приводит к нарушению осморегуляции, и осмотическое давление тканей становится ниже нормального. Однако организм на любое отклонение (как на повышение, так и на понижение осмотического давления) отвечает одинаковой реакцией – чувством жажды. Человек пьёт воду, но она только усиливает жажду. Чтобы избавиться от жажды, надо увеличить осмотическое давление тканей, то есть ввести в них не воду, а дополнительное количество солей.

Основную задачу осморегуляции выполняют почки. Осмотическое давление мочи в норме значительно выше, чем плазмы крови, что обеспечивает активный транспорт из крови в почку. Осморегуляция осуществляется под контролем ферментативных счистем. Нарушение их деяте

льности приводит к патологическим процессам. Так, например, при нефрите осмотическое давление у мочи может оказаться ниже, чем у крови, что вызовет обратный транспорт веществ.

Роль осмоса и осмотического давления

в биологических системах.

1. Осмос регулирует поступление воды в клетки и межклеточные структуры. Если бы вода просачивалась в ткани, то это вызывало бы отек различных органов и подкожной живой клетки. Это наблюдается при механических повреждениях различных органов.

2. Упругость клеток (тургор), эластичность тканей, сохранение определенной формы органов обусловлены осмотическим давлением. Клетки некоторых растений развивают давление 4-20 атм. Прорастающие ростки деревьев поднимают асфальт.

3. Растворы, имеющие одинаковое осмотическое давление называются изотоническими. Например, используются в медицине такие растворы как 0,9%-ный р-р NaCl и 5%-ный р-р глюкозы, которые изотоничны крови (т.е. имеют такое же осмотическое давление). Растворы с более высоким осмотическим давлением называются гипертоническими, а с более низким – гипотоническими.

Осмотическое давление плазмы крови человека при 37⁰С составляет около 7,6 атм, это давление создает электролитный состав крови: 60% этого давления создает NaCl, затем глюкоза и др. Часть осмотического давления (около 0,03 атм) обусловлено белками (альбумины). Это давление называется онкотическим.

4. Помещая клетку в дистиллированную воду, наблюдается эндосмос (молекулы воды проникают во внутрь клетки), происходит набухание, а затем и разрыв оболочки и вытекание клеточного содержимого. Это явление называется лизисом. В случае эритроцитов – гемолизом.

В концентрированных растворах солей отмечается сморщивание клеток - плазмолис, связанный с потерей воды, или экзосмосом.

5. Человеческий организм характеризуется постоянством осмотического давления, колебания его незначительны. Поэтому при различных процедурах в кровь человека в больших количествах можно вводить только изотонические растворы. При больших потерях крови (операции, травмы) больным вводят по несколько литров изотонического раствора NaCl (0,9%) для возмещения потери жидкости с кровью. Но следует помнить, что изотонический раствор кровь не заменяет!

6. В хирургии применяют гипертонические растворы, например 10%-ный р-р NaCl. Смоченную в таком растворе повязку накладывают на рану для очистки от гноя, микроорганизмов и продуктов распада.

7. Горькая соль MgSO_{4 *}7H₂O и глауберова соль Na₂SO_4*10 H₂O являются сильными слабительными средствами. Это их свойство основано на осмосе: эти соли плохо всасываются желудочно-кишечном тракте, гипертонические растворы MgSO_{4 *}7H₂O и Na₂SO_4*10 H₂O заставляют устремляться в просвет кишечника большое количество воды, что приводит к послабляющему эффекту.

8. Почка – эффективный осмотический аппарат. Основная функция ее заключается в удалении продуктов обмена из крови: в более концентрированный раствор – мочу - через полупроницаемую мембрану.

9. Одним из основных механизмов поступления минеральных веществ в эмаль зубов следует считать осмотическое давление. Если эмаль покрыть высококонцентрированным раствором сахара, то осмотическое давление достигает 50 атм. Поэтому малые по размеру ионы, включая Н⁺, будут интенсивно проникать в эмаль, что в конечном итоге приведет к кариесу.

Вопросы для самоконтроля.

1. Перечислите коллигативные свойства раствора.

2. Какой раствор называется идеальным.

3. Сформулируйте первый закон Рауля.

4. Сформулируйте второй закон Рауля.

5. Что такое осмос.

6. Сформулируйте закон Закон Вант-Гоффа.

7. Что называется осмотическим давлением.

8. Что называется экзоосмосом и эндоосмосом.

9. Роль осмоса и осмотического давления в биологических системах.

10. Чему равно осмотическое давление 0,5М раствора глюкозы при 25⁰С?

11. Вычислите осмотическое давление раствора, содержащего 16 г сахарозы С₁₂Н₂₂О₁₁ в 350 мл Н₂О при 293 К. плотность раствора принять за единицу. Ответ: 311 кПа.

12. К 100 мл 0,5М раствора сахарозы С₁₂Н₂₂О₁₁ добавили 300 мл Н₂О. Чему равно осмотическое давление полученного раствора при 25⁰С?

Ответ: 309,6 кПа.

Тесты для самоконтроля

Вариант 1

1. Если ∆Н растворения меньше нуля – это процесс:

а) эндотермический, б) экзотермический,

в) сбалансированный, г) атермический.

2. Каково осмотическое давление в кПа раствора пиридина (М = 80 г/моль), содержащего 4 г вещества в 2 л раствора (t=0⁰С)?

а) 28,37, б) 40,12, в) 48,24, г) 56,74.

3. Факторы, свидетельствующие о химизме процесса растворения?

а) диффузия, б) тепловой эффект,

в) контракция, г) изменение окраски раствора.

4. Неограниченно смешиваются друг с другом?

а) вода + бензол, б) вода + этиловый спирт,

в) вода + сахароза, г) гексан + гептан.

5. Какой из водных растворов имеет самое высокое осмотическое давление, если в их равных объёмах содержатся одинаковые массы следующих веществ?

а) СН₃ОН, б) С₃Н₈О_3, в) С₂Н₅ОН, г) СН₃СОСН₃

19