4.12. Осмотическое давление растворов

Если раствор отделен от растворителя мембраной, которая проницаема для растворителя, но непроницаема для растворенного вещества, то растворитель переходит через мембрану в раствор, где химический потенциал растворителя меньше. Этот процесс называется осмосом.

Явление осмоса можно наблюдать с помощью осмометра (рис. 4.16).

Рис.4.16. Простейший осмометр.

Пусть в сосуд В налит чистый растворитель, а в сосуд А – раствор, разделенные полупроницаемой мембраной. Раствор и растворитель содержат общий компонент – растворитель, который может проходить через мембрану. Направление перехода определяется разностью химических потенциалов растворителя в растворе и в чистом растворителе. Поскольку растворитель представляет собой чистый компонент, то давление пара над ним , так как х₁=1. Раствор – двухкомпонентная система, в ней х₁<1 и . Поэтому химический потенциал растворителя в чистом растворителе будет более высоким, чем химический потенциал над раствором , и растворитель буде самопроизвольно переходить из сосуда В в сосуд А через полупроницаемую мембрану, поднимаясь вверх по капиллярной трубке. При этом химический потенциал растворителя в растворе будет увеличиваться. Сила, способствующая переходу растворителя через мембрану, называется осмотическим давлением. Уровень жидкости в капилляре будет повышаться до тех пор, пока гидростатическое давление столба жидкости высотой h не станет равным осмотическому давлению π. Наступит состояние равновесия, характеризующееся равенством химических потенциалов растворителя в растворе и чистом растворителе. При этом осмотическое давление является тем дополнительным давлением, которое необходимо приложить к раствору, чтобы привести его в равновесие с чистым растворителем, отделенным от него полупроницаемой мембраной: .

Осмотическое давление зависит от концентрации раствора и температуры. Для разбавленных растворов эта зависимость описывается уравнением Вант-Гоффа: . В зависимости от способа выражения концентрации и размерности R осмотическое давление выражается либо в атмосферах, либо в Па (Н/м²):

С	R	π
	8,314	Па (Н/м2)
	0,082	атм.

4.13. Биологическое значение осмотического давления

Осмос и осмотическое давление имеют большое значение в жизни различных организмов. Особенно наглядно явление осмоса наблюдается в клетках растительных объектов. Начало таким исследованиям положил известный ботаник де Фриз (1834 г.). Каждая растительная клетка покрыта прочной целлюлозной оболочкой (ЦО), к которой плотно прилегает протоплазма (П), обладающая свойствами полупроницаемой мембраны. Протоплазма свободно пропускает воду и не пропускает многие растворенные в воде вещества. Если растительную клетку перенести в концентрированный раствор какого-нибудь вещества (сахар, NaCl), молярная концентрация которого больше, чем раствора внутри клетки (такой раствор называется гипертоническим), то наблюдается высасывание воды из клетки в окружающий раствор (экзоосмос). В результате протоплазма начинает отставать от стенок целлюлозной оболочки и уменьшаться в объеме. Это явление называется плазмолизом. Этот процесс обратим, т.к. при помещении клетки в разбавленный раствор или дистиллированную воду, клетка, благодаря осмотическому всасыванию растворителя, восстанавливается.

Если нормальную растительную клетку поместить в гипотонический раствор, обладающий меньшей концентрацией, чем внутриклеточный раствор, то произойдет всасывание воды в клетку (эндоосмос). Это приводит к растягиванию стенок целлюлозной оболочки, увеличению объема клетки. Состояние осмотического напряжения клетки, обусловленное повышенным осмотическим давлением, называется тургором. Увядание растений связано с уменьшением тургора.

Изотонические растворы не влияют на тургор. Эти растворы еще называются изоосматическими. Они широко применяются в медицине – физиологические растворы.