4. Осмотичний тиск

Розчин є гомогенною системою. Частинки розчиненої речовини і роз-чинника перебувають у безладному тепловому русі і рівномірно розподі-ляються по всьому об’єму розчину. Cамовільний процес переміщення речовини, що призводить до вирівнювання її концентрації, називається дифузією. Якщо частинки розчинника і розчиненої речовини дифундують у протилежних напрямках, такий випадок дифузії називається двосторон-нім. Інакше буде у тому випадку, коли між двома розчинами поставити перетинку, через яку розчинник може проходити, а розчинена речовина – не може. Такі перетинки називаються напівпроникними, вони існують у природі і можуть бути виготовлені штучно. Наприклад, якщо просочити глиняний пористий циліндр розчином мідного купоросу, а потім занурити його у розчин К₄[Fe(CN)₆], тоді в порах циліндра осяде розчин купрум гексаціано-(II)ферату:

2CuSO₄ + К₄[Fe(CN)₆] Cu₂[Fe(CN)₆] + 2K₂SO₄.

Оброблений таким чином циліндр має властивості напівпроникної пе-ретинки: через його стінки можуть проходити молекули води, але для мо-лекул розчиненої речовини вони непроникні. Якщо в такий циліндр налити розчин будь-якої речовини, наприклад, цукру, і занурити циліндр у воду, тоді концентрації вирівнюватимуться внаслідок переміщення молекул во-ди. Останні в більшій кількості дифундують у розчин, ніж назад, тому об’єм розчину буде поступово збільшуватися, а концентрація цукру в ньому – зменшуватися. Така одностороння дифузія через напівпроникну перетинку називається осмосом.

Таким чином, осмос – це явище односторонньої дифузії через напів-проникну перетинку, яка може пропускати через себе молекули невелико-го розміру і не пропускати великі молекули та гідратовані іони.

Кількісно осмос характеризується осмотичним тиском, який дорів-нює силі, що приходиться на одиницю площі поверхні і примушує мо-лекули розчинника проникати через напівпроникну перетинку.

Осмотичний тиск розчинів можна вирахувати із об’єднаного рівняння Клапейрона-Менделєєва:

РV =  RT,

(108)

звідки

Р = RT,

(109)

де Р – осмотичний тиск розчину, Па; V – об’єм розчину, л;  – число молів розчиненої речовини, R – універсальна газова стала, 8,314 Дж/моль  К; T – абсолютна температура розчину, К.

Якщо врахувати, що /V = С_М – молярна концентрація розчину, отри-маємо рівняння Вант-Гоффа для осмотичного тиску розчину:

Росм. = СМ RT.

(110)

Тобто величина осмотичного тиску розчину залежить від його кон-центрації та температури.

5. Роль осмосу в живих організмах

Явища осмосу відіграють дуже важливу роль у житті тварин і рослин, забезпечуючи доступ води у клітини та інші структури.

Оболонки клітин є перетинками, легкопроникними для води, але майже непроникними для речовин, розчинених у внутрішньоклітинній рідині. Проникаючи в клітини, вона створює у них надлишковий тиск, який дещо розтягує оболонки клітин і підтримує їх у напруженому стані. Тому м’які органи рослини (стебла, листя, пелюстки квітів) мають пружність. При зрі-зуванні рослини внаслідок випаровування води об’єм внутрішньоклітин-ної рідини зменшується, оболонки клітин обпадають, стають в’ялими і в’яне вся рослина. Якщо поставити рослину у воду, тоді почнеться осмос, оболонки клітин знову напружуються і рослина набуває попереднього виг-ляду. Осмос є також однією із причин, що зумовлюють піднімання води по стеблу рослини, живлення клітин і багато інших явищ.

Розчини, які мають однаковий осмотичний тиск при однакових умовах називаються ізотонічними. Якщо осмотичний тиск вище внутрішньоклі-тинного, він називається гіпертонічним, якщо нижчий за внутрішньо-клітинний – гіпотонічним. Гіпертонічні розчини цукру (сироп) і солі (роз-сол) широко застосовуються для консервування продуктів, оскільки викли-кають видалення води із мікроорганізмів.

Кров, лімфа, а також інші тканинні рідини людини і тварин є водними розчинами молекул та іонів багатьох речовин – органічних та мінеральних. Ці розчини мають певне значення осмотичного тиску. Наприклад, осмо-тичний тиск крові при 310 К складає ~ 0,74-0,78 МПа. Такий самий тиск має розчин натрій хлориду з масовою часткою 0,9%, який є по відношен-ню до крові ізотонічним.

При медичному введенні у кров фізіологічних розчинів останні повинні бути ізотонічними з розчином крові. Фізіологічні розчини широко застосо-вуються в хірургії як кровозамінники.

Організм людини має здатність підтримувати осмотичний тиск на пев-ному рівні. При зміні осмотичного тиску організм прагне відновити його. Оскільки з продуктами вводиться в організм велика кількість розчинних речовин (сіль, цукор та ін.), тоді осмотичний тиск змінюється і організм реагує на це, прагнучи якомога скоріше відновити нормальний осмотичний тиск (змінюється кількість і склад слини, поту, сечі та кількість пари, що виділяється). Всі ці процеси в організмі регулюються нервовою системою та залозами внутрішньої секреції.