Растворы. Осмос

Осмос (от греч. ὄ σ μ ο ς – толчок, давление) – самопроизвольный переход вещества через полупроницаемую перегородку (мембрану), разделяющую два раствора разной концентрации или раствор и растворитель (рис. 6. 25). При этом происходит выравнивание концентраций по обе стороны перегородки, т. е. устанавливается равновесие в системе. Механизм этого явления сложен. Существуют разные точки зрения. В литературе чаще упоминается диффузионный механизм процесса и его связывают с размерами молекул вещества и пор в мембране. Есть другая точка зрения, согласно которой процесс идет путем предварительного растворения молекул растворителя в мембране и последующей отдаче (переходу) молекул растворителя в раствор. Наиболее важный случай – переход молекул растворителя через полупроницаемую мембрану, не пропускающую молекулы растворенного вещества. Это будет приводить к понижению концентрации вещества в растворе. Т. е. если по разные стороны перегородки будут находиться растворы с разной концентрацией, то возникнет поток вещества в сторону раствора с меньшей концентрацией. Увеличение количества молекул растворителя повлечет за собой увеличения столба жидкости с одной стороны и, следовательно, – увеличение гидростатического давления. В результате выравнивания концентраций процесс прекратится. Установившаяся при этом разность давлений по разные стороны перегородки называется осмотическим давлением.

Для сильно разбавленных растворов осмотическое давление определяется законом Вант-Гоффа:

П = NkT/V = μ RT/V, (6. 16)

где N и μ – числа молекул и молей вещества, соответственно, т. е. не зависит от природы растворённого вещества, а зависит только от его концентрации.

Рис. 6. 25. Схематическое представление осмоса

В случаях, когда мембрана проницаема не только для растворителя, но и для некоторых растворённых веществ, переход последних из раствора в растворитель позволяет осуществить диализ. Диализ – это очистка коллоидных растворов и субстанций высокомолекулярных веществ от растворённых в них низкомолекулярных соединений при помощи полупроницаемой мембраны. При диализе молекулы растворенного низкомолекулярного вещества проходят через мембрану, а неспособные проходить через мембрану коллоидные частицы остаются за ней. Простейший диализатор представляет собой мешочек из коллодия (полупроницаемого материала), в котором находится диализируемая жидкость. Мешочек погружают в растворитель (например, в воду). Постепенно концентрация диализирующего вещества в диализируемой жидкости и в растворителе становится одинаковой. Меняя растворитель, можно добиться практически полной очистки от нежелательных примесей. Скорость диализа обычно крайне низка (исчисляется неделями). Ускоряют процесс диализа путем увеличения площади мембраны и температуры, непрерывно меняя растворитель. Применительно к медицине – это гемодиализ, – процесс очищения крови с помощью полупроницаемой пористой мембраны в аппарате «искусственная почка».

Диализ применяют для очистки коллоидных растворов от примесей электролитов и низкомолекулярных не электролитов. В промышленности диализ применяют для очистки различных веществ, например, в производстве искусственных волокон, при изготовлении лекарственных веществ.

Отметим, что мембрана, окружающая нормальную клетку крови, проницаема лишь для молекул воды, кислорода, ряда ионов (калия, кальция, хлора), некоторых растворённых в крови питательных веществ и продуктов клеточной жизнедеятельности. Для больших белковых молекул, находящихся в растворённом состоянии внутри клетки, она непроницаема. Поэтому белки, столь важные для биологических процессов, остаются внутри клетки.

Осмос играет огромную роль в обеспечении жизнедеятельности организмов разных уровней и растений. Рассмотрение этих вопросов можно найти в специальной литературе. Приведем лишь некоторые примеры. Использование кровезаменителей и физиологических растворов в клинике общеизвестно. Они, как правило, должны быть изотоничны по отношению к жидкостям организма (изотоническими, изоосмотическими называются растворы с одинаковыми значениями осмотического давления).

Осмос участвует в переносе питательных веществ в стволах деревьев, где капиллярный перенос не способен выполнить эту функцию. Осмос лежит в основе плазмолиза клеток. Плазмолиз – искусственно вызываемое отставание (отделение) цитоплазмы от оболочки клетки (деплазмолиз – исчезновение плазмолиза). В качестве плазмолитиков – веществ, растворы которых вызывают плазмолиз, используют неядовитые вещества, слабо проникающие через цитоплазму в вакуоль. Плазмолиз можно вызвать, погружая клетку в раствор соли или сахара, концентрация которого выше концентрации клеточного сока (гипертонический раствор). Если бы цитоплазма была проницаемой, то происходило бы выравнивание концентраций клеточного сока и гипертонического раствора путем перемещения воды и растворенных веществ из клетки в раствор и обратно. Однако цитоплазма, обладая свойством полупроницаемости, не пропускает внутрь клетки растворенные в воде вещества. Напротив, только вода будет высасываться гипертоническим раствором из клетки, т. е. перемещаться через полупроницаемую цитоплазму. Объем вакуоли уменьшится. Цитоплазма в силу эластичности следует за сокращающейся вакуолью и отстает от оболочки клетки сначала в уголках, затем во многих местах с образованием вогнутых поверхностей (вогнутый плазмолиз), и, наконец, протопласт принимает округлую форму (выпуклый плазмолиз). При погружении плазмолизированной клетки в воду или гипотонический раствор наблюдается деплазмолиз.

Человек с древних времен, использовал эффект осмоса в процессе засаливания пищи, в ходе которого и происходил плазмолиз клеток патогена*.

Для увеличения объёма вакуоли (чтобы она распирала стенки клетки – тургорное давление) клетки растений запасают сахарозу. Увеличивая или уменьшая концентрацию сахарозы в цитоплазме, клетки могут управлять осмосом. За счёт этого повышается упругость растения в целом. С изменениями тургорного давления связаны многие движения растений (например, движения усов гороха и других «лазающих растений»). Пресноводные простейшие также имеют вакуоль, но задача вакуолей простейших заключается лишь в откачивании лишней воды из цитоплазмы для поддержания постоянной концентрации растворённых в ней веществ.

Осмос широко используют в лабораторной технике: при определении молярных характеристик полимеров, концентрировании растворов, исследовании разнообразных биологических структур. Физика явления достаточно полно описана в [16а]. Разнообразные проявления и приложения можно найти в интернете по ключевым словам «осмотическое давление», например в [16б] и словам, выделенным в тексте курсивом.

* Патоген – термин, используемый для обозначения инфекционного агента (патогенных бактерий, вирусов, грибов, простейших, гельминтов), который обладает способностью вызывать инфекционный процесс у животных, растений и микроорганизмов. Синоним более широко принятого термина «возбудитель». В последнее время термин патоген распространяют на неинфекционные этиологические факторы. Патогенез – комплекс взаимосвязанных стадийных повреждающих, защитно-приспособительных и репаративных (восстановительных) реакций, выражающихся в более или менее глубоком повреждении и восстановлении структур и функций тех или иных органов и систем, а также в изменении поведения организма в целом.