Осмос, осмотичний тиск і його біологічна роль

Зміст

1.Осмос

2.Осмотичний тиск

3.Осмометром - прилад для вимірювання осмотичного тиску

4.Біологічна роль осмосу і осмотичного тиску

5.Осмотична електростанція

6.Зворотний осмос

7.Література

Глава 1. Осмос

Осмос(Грец. osmos поштовх, проштовхування, тиск) - мимовільний перехідречовини, зазвичай розчинника, через напівпроникну мембрану, що відокремлюєрозчин від чистого розчинника або від розчину меншої концентрації.

Історія

Впершеосмос спостерігав Жан-Анту Нолле в 1748, однак дослідження цього явища булорозпочато через сторіччя.

Сутьпроцесу

Осмособумовлений прагненням системи до термодинамічної рівноваги і вирівнюванняконцентрацій розчинів по обидва боки мембрани шляхом односторонньої дифузіїмолекул розчинника.

Важливимокремим випадком осмосу є осмос через напівпроникну мембрану.Напівпроникні називають мембрани, які мають досить високупроникність не для всіх, а лише для деяких речовини, зокрема, длярозчинника. (Рухливість розчинених речовин в мембрані прагне до нуля).Якщо така мембрана розділяє розчин і чистий розчинник, то концентраціярозчинника в розчині виявляється менш високою, оскільки там частина йогомолекул заміщена на молекули розчиненої речовини (див. Рис. 1). Внаслідокцього, переходи частинок розчинника з відділу, що містить чистий розчинник,в розчин відбуватимуться частіше, ніж у протилежному напрямку.Відповідно, обсяг розчину буде збільшуватися (а концентраціязменшуватися), тоді як об'єм розчинника буде відповідно зменшуватися.

Наприклад,до яєчній шкаралупі з внутрішньої сторони прилягає напівпроникна мембрана: вонапропускає молекули води і затримує молекули цукру. Якщо такою мембраноюрозділити розчини цукру з концентрацією 5 і 10% відповідно, то через неїв обох напрямках будуть проходити тільки молекули води. У результаті в більшрозбавленому розчині концентрація цукру підвищиться, а в більшконцентрованому, навпаки, знизиться. Коли концентрація цукру в обохрозчинах стане однаковою, настане рівновага. Розчини, які досяглирівноваги, називаються ізотонічними.

Осмос,спрямований усередину обмеженого об'єму рідини, називається ендосмосом,назовні - екзосмосом. Перенесення розчинника через мембрану обумовленийосмотичним тиском. Воно дорівнює надлишковому зовнішньому тискові, якеслід докласти з боку розчину, щоб припинити процес, тобтостворити умови осмотичної рівноваги. Перевищення надлишкового тиску надосмотичним може привести до обігу осмосу - зворотної дифузіїрозчинника.

Ввипадках, коли мембрана проникна не тільки для розчинника, але і длядеяких розчинених речовин, перенесення останніх з розчину в розчинникдозволяє здійснити діаліз, застосовуваний як спосіб очищення полімерів іколоїдних систем від низькомолекулярних домішок, наприклад електролітів.

Глава2. Осмотичний тиск

Осмотичнийтиск (позначається р) - надлишковий гідростатичний тиск на розчин,відокремлений від чистого розчинника напівпроникною мембраною, при якомуприпиняється дифузія розчинника через мембрану. Це тиск прагнезрівняти концентрації обох розчинів внаслідок зустрічної дифузії молекулрозчиненої речовини і розчинника.

Розчин,що має більш високий осмотичний тиск в порівнянні з іншим розчином,називається гіпертонічним, що має більш низьке - гіпотонічним.

Осмотичнийтиск може бути досить значним. У дереві, наприклад, під дієюосмотичного тиску рослинний сік (вода з розчиненими в ніймінеральними речовинами) піднімається по ксилемі від коренів до самої верхівки.Одні тільки капілярні явища не здатні створити достатню підйомну силу- Наприклад, секвойям потрібно доставляти розчин на висоту навіть до 100 метрів.При цьому в дереві рух концентрованого розчину, яким єрослинний сік, нічим не обмежена.

Взаємодіяеритроцитів з розчинами в залежності від їх осмотичного тиску.

Якщож подібний розчин знаходиться в замкнутому просторі, наприклад, в клітцікрові, то осмотичний тиск може привести до розриву клітинної мембрани.Саме з цієї причини ліки, призначені для введення в кров,розчиняють в ізотонічному розчині, що містить стільки хлориду натрію(Повареної солі), скільки потрібно, щоб врівноважити створюване клітинноїрідиною осмотичний тиск. Якби вводяться лікарські препарати буливиготовлені на воді або дуже сильно розбавленому (гіпотонічній по відношеннюдо цитоплазми) розчині, осмотичний тиск, змушуючи воду проникати вклітини крові, призводило б до їх розриву. Якщо ж ввести в кров занадтоконцентрований розчин хлориду натрію (3-5-10%, гіпертонічні розчини),то вода з клітин буде виходити назовні, і вони стиснуться. У разі рослиннихклітин відбувається відрив протопласта від клітинної оболонки, що називаєтьсяплазмоліз. Зворотний же процес, що відбувається при приміщенні сжавшегося клітин вбільш розбавлений розчин, - відповідно, деплазмолізу.

Величинаосмотичного тиску, створювана розчином, залежить від кількості, а не відхімічної природи розчинених в ньому речовин (або іонів, якщо молекулиречовини дисоціюють), отже, осмотичний тиск єколлігатівним властивістю розчину. Чим більше концентрація речовини в розчині,тим більше створюване їм осмотичний тиск. Це правило, носить назвузакону осмотичного тиску, виражається простою формулою, дуже схожою наякийсь закон ідеального газу:

p =i C RT

деi - ізотонічний коефіцієнт розчину; C - молярна концентрація розчину,виражена через комбінацію основних одиниць СІ, тобто, в моль/м3, а не взвичних моль/л; R - універсальна газова стала; T - термодинамічнатемпература розчину.

Цепоказує також схожість властивостей частинок розчиненої речовини у в'язкому середовищірозчинника з частинками ідеального газу в повітрі. Правомірність цієї точкизору підтверджують досліди Ж. Б. Перрена (1906): розподіл частинок емульсіїсмоли гуммігута в товщі води у загальному підпорядковувалося законом Больцмана.

Осмотичнийтиск, який залежить від вмісту в розчині білків, називаєтьсяонкотичного (0,03 - 0,04 атм.). При тривалому голодуванні, хворобі нирокконцентрація білків в крові зменшується, онкотичного тиск у кровізнижується і виникають онкотичного набряки: вода переходить з судин у тканини,де Ронко більше. При гнійних процесах Ронко у вогнищі запалення зростає в 2-3рази, так як збільшується число часток через руйнування білків. В організміосмотичний тиск має бути постійним (7,7 атм.). Тому пацієнтамвводять ізотонічні розчини (розчини, осмотичний тиск яких дорівнює рплазми 7,7 атм. - 0,9% NaCl - фізіологічний розчин, 5% розчин глюкози).Гіпертонічні розчини, у яких р більше, ніж осмотичний тиск плазми,застосовуються в медицині для очищення ран від гною (10% NaCl), для видаленняалергічних набряків (10% CaCl2, 20% глюкоза), як послаблюючіліків (Na2SO4 • 10H2O, MgSO4 • 7H2O).

Законосмотичного тиску можна використовувати для розрахунку молекулярної масиданої речовини (при відомих додаткових даних).

Осмотичнийтиск вимірюють спеціальним приладом

Глава3. Осмометром - прилад для вимірювання осмотичного тиску

осмометром -(Осмо-+ греч. Metreo вимірювати) прилад для вимірювання осмотичного тиску абоконцентрації осмотично активних речовин; застосовується при біофізичних ібіохімічних дослідженнях.

Принципова схемаосмометром: А - камера для розчину; Б - камера для розчинника; М - мембрана.Рівні рідини в трубках при осмотическом рівновазі: а і б - в умовахрівності зовнішніх тисків у камерах А і Б, коли Rа = Rб, при цьому Н - стовпрідини, що врівноважує осмотичний тиск; б - в умовах нерівностізовнішніх тисків, коли Rа - Rб = p.

Осмометритиску пари

Цей типприладів відрізняється тим, що для вимірювання потрібний мінімальний об'єм проби(Одиниці мікролітрів), що має велике значення, коли з об'єктадослідження не можна взяти більший обсяг. Однак унаслідок малості об'єму пробиОсмометри тиску пари мають велику погрішність в порівнянні з іншими. Крімтого, результат... вимірювання залежить від зміни атмосферного тиску. Основнезастосування ці прилади знайшли в наукових дослідженнях і педіатричній практицідля досліджень крові новонароджених, взятої з пальчика або п'ятки. Діапазонвимірюваних концентрацій обмежується 2000 ммоль/кг Н2О. У російських ЛПУ вонине знайшли широкого застосування. У Європейському союзі Осмометри тиску паривиробляє фірма Dr. Knauer, Gonotec (Німеччина), в США - фірма Wescor.

МембранніОсмометри

На властивостіосмосу будуються Осмометри, звані мембранними. У їх конструкції можутьвикористовуватися як штучні мембрани (наприклад, целофан), так і природні(Наприклад, шкіра жаби).

Прилади цьоготипу використовуються для вимірювання так званого колоїдно-осмотичноготиску крові (КОД), яке створюється високомолекулярної (більше 30000 Д) складовоїзагальної концентрації осмотично активних частинок, що містяться в плазмі крові.Цей тиск називається також онкотичного і створюється переважно білками.КОД становить менше 3 ммоль/кг Н2О і тому незначно впливає на загальнеосмотичний тиск, але має визначальне значення для процесівтранскапіллярного обміну. Ця складова загального тиску має важливедіагностичне значення. Мембранні Осмометри виробляють фірми Dr. Knauer, Gonotec, Німеччина (Osmomat 050), в США - фірма Wescor.Цікаво, що фірма доктора Кнауера пропонує всю лінійку осмометрів,перекриваючи, таким чином, весь діапазон часток з молекулярною масою, включаючимільйонні.

Прилади цьоготипу в Росії не виробляються.

Осмометри поточці замерзання (кріоскопічні)

Осмометри,принцип дії яких заснований на вимірюванні пониження (депресії) температуризамерзання розчину порівняно з температурою замерзання розчинника (в нашомувипадку води), знайшли найбільше поширення з причини найкращою придатностіцієї методики для лабораторної клінічної діагностики порушень водного таелектролітного балансу (молекулярні маси частинок біологічних рідин неперевищують 30000 Д).

Глава4. Біологічна роль осмосу і осмотичного тиску

осмос тиск розчин

Осмосвідіграє важливу роль у багатьох біологічних процесах. Мембрана, що оточуєнормальну клітину крові, проникна лише для молекул води, кисню, деякихз розчинених у крові поживних речовин і продуктів клітинноїжиттєдіяльності; для великих білкових молекул, що знаходяться в розчиненомустані всередині клітини, вона непроникна. Тому білки, такі важливі длябіологічних процесів, залишаються всередині клітини.

Осмосбере участь в переносі поживних речовин у стовбурах високих дерев, де капілярнеперенос не здатний виконати цю функцію.

Осмосшироко використовують в лабораторній техніці: при визначенні молярниххарактеристик полімерів, концентрування розчинів, дослідженні різноманітнихбіологічних структур. Осмотичні явища іноді використовуються впромисловості, наприклад при отриманні деяких полімерних матеріалів, очищеннювисоко-мінералізованої води методом В«зворотногоВ» осмосу рідин.

Клітинирослин використовують осмос також для збільшення обсягу вакуолі, щоб вонарозпирала стінки клітки (тургорное тиск). Клітини рослин роблять це шляхомзапасання сахарози. Збільшуючи або зменшуючи концентрацію сахарози в цитоплазмі,клітини можуть регулювати осмос. За рахунок цього підвищується пружність рослини вцілому. Із змінами тургорного тиску пов'язані багато руху рослин(Наприклад, рухи вусів гороху та інших лазающих рослин). Прісноводнінайпростіші також мають вакуоль, але завдання вакуолей найпростіших полягає лишев відкачуванні зайвої води з цитоплазми для підтримки постійної концентраціїрозчинених у ній речовин.

Осмостакож відіграє велику роль в екології водойм. Якщо концентрація солі та іншихречовин у воді підніметься чи впаде, то мешканці цих вод загинуть череззгубного впливу осмосу.

Глава5. Осмотична електростанція

24Листопад 2009 державна енергетична компанія Statkraft (Норвегія)представила перший у світі сольовий генератор, який виробляє енергію зарахунок змішування морської і прісної води. Прототип осмотичної електростанціїбуде випробовуватися на старій паперовій фабриці в 60 км на південь від столиці НорвегіїОсло. Вартість проекту становить 20 млн дол, потужність електростанції - 5кВт. Імовірно, перша комерційна осмотична електростанція з'явитьсявже через кілька років.

Принципдії соляної електростанції заснований на явищі, відомому як осмос:молекули води переходять з відсіку з прісною водою у відсік з з морською водою,прагнучи вирівняні концентрацію солі по обидві сторони напівпроникною мембрани; прицьому збільшується об'єм води у відсіку з морською водою і створюється надлишковийтиск, який змушує генератор виробляти електрику.

Глава6. Зворотний осмос

Процесзворотного осмосу, як спосіб очищення води, використовується з початку 60-х років.Спочатку він застосовувався для опріснення морської води. Сьогодні за принципомзворотного осмосу в світі виробляються сотні тисяч тонн питної води на добу.

Удосконаленнятехнології зробило можливим застосування обратноосмотічеськіх систем в домашніхумовах. На даний момент у світі вже встановлені тисячі таких систем.Одержувана зворотним осмосом вода має унікальну ступінь очищення. За своїмвластивостям вона близька до талої води стародавніх льодовиків, яка визнається найбільшекологічно чистою і корисною для людини.

Ввипадку, коли на розчин з більшою концентрацією впливає зовнішній тиск,перевищує осмотичний, молекули води почнуть рухатися через напівпроникнумембрану в зворотному напрямку, тобто з більш концентрованого розчину вменш концентрований.

Цейпроцес називається "зворотнім осмосом". За цим принципом і працюютьвсі мембрани зворотного осмосу.

Впроцесі зворотного осмосу вода і розчинені в ній речовини розділяються намолекулярному рівні, при цьому з одного боку мембрани накопичуєтьсяпрактично ідеально чиста вода, а всі забруднення залишаються по іншу їїсторону. Таким чином, зворотний осмос забезпечує набагато вищуступінь очищення, чим більшість традиційних методів фільтрації, заснованих нафільтрації механічних частинок і адсорбції ряду речовин за допомогоюактивованого вугілля.

Застосування

Всистемах зворотного осмосу побутового призначення тиск вхідної води на мембранувідповідає тиску води в трубопроводі. У випадку, якщо тиск зростає,потік води через мембрану також зростає.

Напрактиці, мембрана не повністю затримує розчинені у воді речовини. Вонипроникають через мембрану, але в мізерно малих кількостях. Тому очищенавода все-таки містить незначну кількість розчинених речовин. Важливо,що підвищення тиску на вході не призводить до зростання вмісту солей у водіпісля мембрани. Навпаки, більший тиск води не тільки збільшуєпродуктивність мембрани, але і покращує якість очищення. Іншими словами,чим вище тиск води на мембрані, тим більше чистої води кращої якостіможна отримати.

Впроцесі очищення води концентрація солей з боку входу зростає, черезчого мембрана може засмітитися і перестати працювати. Для запобігання цьогоуздовж мембрани створюється примусовий потік води, що змиває"Розсіл" в дренаж.

Ефективністьпроцесу зворотного осмосу відносно різних домішок і розчинених речовинзалежить від ряду факторів. Тиск, температура, рівень рН, матеріал, зякого виготовлена ​​мембрана, і хімічний склад вхідної води, впливають наефективність роботи систем зворотного осмосу.

Неорганічніречовини дуже добре відділяються обратноосмотичної мембраною. В залежностівід типу застосовуваної мембрани (ацетатцеллюлозная або тонкоплівкова композитна)ступінь очищення становить по більшості неорганічних елементів 85% -98%.

Мембраназворотного осмосу також видаляє з води іорганічні речовини. Органічні речовини з молекулярною вагою більш100-200 видаляються повністю; а з меншим - можуть проникати через мембрану внезначних кількостях. Великий розмір вірусів і бактерій практичновиключає вірогідність їх проникнення через мембрану.

ВВодночас, мембрана пропускає розчинені у в...оді кисень та інші гази,визначають її смак. В результаті, на виході системи зворотного осмосувиходить свіжа, смачна, настільки чиста вода, що вона, строго кажучи, навітьне вимагає кип'ятіння.

Література

Горшков В. І., Ковалів І. А.,Фізична хімія, М., 1986; Дуров В. А., Агєєв Є.П., Термодинамічна теоріярозчинів неелектролітів, М., 1987. Також літ. при ст. Мембранні процесиподілу.

Л. А. Шіц В«Велика радянськаенциклопедія В»

Д. Коновалов В«Енциклопедичнийсловник Брокгауза і Ефрона В»