Меню

В чем измеряется осмотическое давление раствора

Все, что вы хотели бы знать об осмотическом давлении воды

Словосочетание «осмотическое давление» можно увидеть в различной научной литературе, учебниках по физике или химии. О нем часто говорят при упоминании о растворах различных веществ, о концентрации.

Что несет в себе данное определение? От чего зависит осмотическое давление воды – об этом данная статья.

Что это такое?

Осмотическое давление – это величина, при которой процесс осмоса завершается. Осмос, в свою очередь, это переход молекул веществ из одного раствора в другой.

Обычно они перемещаются от менее концентрированного, с небольшим содержанием вещества, к более концентрированному. Движение происходит через тонкую стенку – мембрану.

Простой пример:

  1. Берут сосуд, имеющий тонкие стенки, сужающийся кверху до трубки небольшого диаметра.
  2. Наполняют его смесью воды и сахара.
  3. Помещают в другую емкость, наполненную водой.
  4. Будет наблюдаться постепенное увеличение смеси, заполнение вертикальной трубки. Это обусловлено явлением осмоса: частицы начинают «перебегать» через тонкую стенку.
  5. Чем выше поднимется смесь по вертикальной трубке – тем большее будет создаваться давление.

Когда оно достигнет определенной отметки, процесс осмоса прекратится. Это и есть осмотическое давление.

Как и когда было открыто?

Данное явление впервые было открыто и описано в 1748 году. Этим занимался французский ученый-физик Жан-Антуан Нолле.

Его эксперимент выглядел следующим образом:

  1. Емкость была заполнена этанолом и закрыта тонкой эластичной пленкой.
  2. Сосуд опустили в другой, предварительно заполненный водой.
  3. По истечении некоторого времени тонкая пленка начинает набухать, надуваться. Значит, начался процесс перехода молекул из одного сосуда в другой.
  4. Пробуют поменять сосуды местами: поместить воду в этанол. Картина совершенно обратная: тонкая пленка начинает впадать внутрь.

От чего зависит параметр?

Другой ученый Вант-Гофф из Нидерландов в 1886 году выявил зависимость осмотического давления от некоторых параметров.

Согласно его исследованиям, величина находится в зависимости от:

  • содержания частиц вещества;
  • от температуры.

При этом параметр не зависит от происхождения вещества и жидкости.

Полученные выводы Вант-Гофф описал уравнением: π = RCT. Оно описывает зависимость осмотического давления от температуры и содержания частиц вещества.

Получается, что для возникновения осмотического давления необходимо наличие двух смесей различной концентрации, а также полупроницаемая пленка — мембрана.

Как измеряют?

Измерения в лабораторных условиях проводят при помощи специального прибора – осмометра. При этом определение осуществляется двумя методами:

Как проходит измерение? Статический метод Динамический метод
Измерения проводятся, когда смесь достигает равновесия: частицы прекращают движение. Базируется на измерении скорости движения молекул сквозь подвижную мембрану.
Как определяется величина осмотического давления? Определяется по высоте столба раствора в приборе – осмометре. Вычисляется математически по значениям, полученным от прибора.
Отличительная особенность Основные недостатки: сложность выявления момента равновесия, большие временные затраты. Основные преимущества: малые затраты времени, высокая точность результата.

Единственное, важное условие осуществления эксперимента – грамотный подбор мембраны.

В лабораторных условиях чаще всего используют:

  • целлофановую пленку;
  • полимеры синтетического или природного происхождения;
  • перегородки из керамики или стекла;
  • мембраны растительного происхождения.

Значение

Осмотическое давление играет важную роль в природной среде и жизнедеятельности человека:

  1. Доставляет влагу по стволам растений.
  2. Наполняет клетки человека водой. Как известно, организм в большей степени состоит именно из нее.
  3. Осуществляет движение разных жидкостей по организму.
  4. Применяется на различных производствах и в промышленности.
  5. Растворы, созданные на основании данного метода, используются в медицине. Они вводятся внутривенно в период реабилитации больных после операции, а также для дезинфекции ран, обеззараживания.

Применение знаний для обратного осмоса на практике

Положения, описанные выше, легли в основу другого явления – обратный осмос: подвижная перегородка, наподобие сита, пропускает молекулы определенного размера.

Получается, что растворы определенной концентрации способны «перебегать» через перегородку, а крупные частицы — нет.

Такое явление нашло применение в различных областях:

  • для фильтрации воды, получения пресной из соленой;
  • для изготовления различных жидкостей, используемых на производствах и в промышленности;
  • для очищения водоемов.

Полезное видео

Что такое осмос и осмотическое давление, подскажет видео:

Заключение

Таким образом, знание определения осмоса и его законов может быть полезно во многих отраслях человеческой жизни, в частности – в медицине, промышленности, биологии.

Читайте также:  Как работают датчики давления в шинах тигуан

Источник

Осмотическое давление растворов

Осмос – самопроизвольный переход растворителя из раствора меньшей концентрации в раствор большей концентрации через полупроницаемую мембрану.

Проникновение растворителя в раствор и разбавление раствора можно предотвратить, если к нему приложить дополнительное давление.

Давление, которое необходимо приложить к раствору для предотвращения осмоса и приведения системы в равновесие, называется осмотическим давлением.

Осмотическое давление π (Па) рассчитывают по формуле:

для разбавленных растворов неэлектролитов,

для разбавленных растворов электролитов,

где с – концентрация растворенного вещества, моль/м 3 ; R – универсальная газовая постоянная,
R = 8,314 Дж/(моль×К); Т – температура, К.

При подстановке в формулу молярной концентрации (в моль/дм 3 ) осмотическое давление имеет размерность – кПа.

Концентрация с(моль/дм 3 ) связана с массовой долей w (%) растворенного вещества соотношением:

Пример 5. Осмотическое давление крови человека составляет 790 кПа. Массовая доля хлорида натрия в растворе, имеющем такое же осмотическое давление при a=1, равна _____ %.

Варианты ответов: 1) 0,9; 2) 0,1; 3) 0,2; 4) 9.

NaCl – электролит, дающий при диссоциации 2 иона; изотонический коэффициент равен: i = 1+1×(2-1) =2.

Концентрация NaCl в растворе составит:

.

Источник

ОСМОТИЧЕСКОЕ ДАВЛЕНИЕ

Осмотическое давление — давление на раствор, отделенный от чистого растворителя полупроницаемой мембраной, при к-ром прекращается осмос, т. е. переход молекул растворителя в раствор через разделяющую их полупроницаемую мембрану или переход молекул растворителя через полупроницаемую мембрану от раствора, менее концентрированного, к раствору, более концентрированному. Полупроницаемые мембраны представляют собой естественные или искусственные пленки, проницаемые только для молекул растворителя (напр., воды) и не проницаемые для молекул растворенного вещества. Осмос и Осмотическое давление играют большую роль в поддержании концентрации веществ, растворенных в жидкостях организма, на определенном, физиологически необходимом уровне, и, следовательно, в распределении воды между тканями и клетками. При изучении изолированных клеток и тканей важно, чтобы искусственная культуральная среда была изотонична естественной среде. При введении в организм различного рода жидкостей наименьшие нарушения вызывают р-ры с Осмотическим давлением, равным Осмотическому давлению жидкостей организма.

Измерение О. д. (осмометрия) находит широкое применение для определения мол. веса (массы) биологически активных высокомолекулярных веществ, таких, как белки, углеводы, нуклеиновые к-ты и др. Измерение величины О. д. производят с помощью приборов, называемых осмометрами (рис.). Число молекул воды, сталкивающихся со стороны воды с полупроницаемой мембраной, образованной железосинеродистой медью, больше числа молекул воды, сталкивающихся с этой мембраной со стороны р-ра, т. к. концентрация молекул воды в р-ре ниже, чем в чистой воде. В результате этого происходит осмос и возникает избыточное гидростатическое давление на р-р, под действием к-рого скорость перехода молекул воды через мембрану в чистую воду возрастает. Если избыточное давление на р-р достигает величины, равной О. д. р-ра, то число молекул воды, проходящих сквозь мембрану в обоих направлениях, становится одинаковым, осмос прекращается, и между р-ром и растворителем, находящимися по обе стороны полупроницаемой мембраны, устанавливается осмотическое равновесие. Т. о., осмотическое давление возникает лишь в том случае, когда р-р и растворитель отделены друг от друга полупроницаемой мембраной.

Осмотическое давление изолированных клеток или тканей наиболее просто измерить методом плазмолиза. Для этого исследуемые объекты помещают в р-ры с разными концентрациями какого-нибудь вещества, по отношению к к-рому клеточная мембрана непроницаема. Растворы с О. д. более высоким, чем О. д. содержимого клеток (гипертонические р-ры), вызывают сморщивание клеток — плазмолиз вследствие перехода воды из клетки в р-р. Растворы с О. д. более низким, чем О. д. содержимого клеток (гипотонические р-ры), вызывают увеличение объема клеток в результате перехода воды из р-ра в клетку. Р-ры с О. д., равным О. д. содержимого клеток (изотонические р-ры), не вызывают изменения объема клеток. Зная концентрацию такого р-ра, вычисляют его О. д.; такова же будет величина О. д. и содержимого клеток. Важным фактором, определяющим прохождение воды через клеточную мембрану, особенно в начальной стадии процесса, могут быть мембранные потенциалы, к-рые вызывают электроосмотическое перемещение воды через оболочку клетки, так наз. аномальный осмос (см. Электроосмос). В подобных случаях измерение О. д. методом плазмолиза является неточным.

Читайте также:  Связь молярной теплоемкости при постоянном объеме и давлении

Определение Осмотического давления р-ров, содержащих низкомолекулярные вещества, для к-рых трудно приготовить непроницаемую мембрану, производят косвенными методами, обычно посредством измерения понижения температуры замерзания р-ра (см. Криометрия).

Я. Вант-Гофф показал, что Осмотическое давление разбавленных р-ров неэлектролитов подчиняется законам, установленным для давления газов (см.), и может быть вычислено по уравнению, аналогичному уравнению Клапейрона—Менделеева для газов:

где π — осмотическое давление, v — объем раствора в л, n — число молей растворенного вещества-не-электролита, T — температура по абсолютной шкале, R — постоянная, численное значение к-рой таково же, как и для газов (R для газов равна 82,05*10 -3 л-атм/град-моль).

Приведенное уравнение является математическим выражением закона Вант-Гоффа: О. д. разбавленного р-ра равно давлению, к-рое производило бы растворенное вещество, находясь в газообразном состоянии и занимая объем, равный объему р-ра при той же температуре. Введя в уравнение молярную концентрацию — с = n\v получим π = c*RT.

О. д. р-ра электролита больше О. д. р-ра неэлектролита той же молярной концентрации. Это объясняется диссоциацией молекул электролита в р-ре на ионы, вследствие чего возрастает концентрация кинетически активных частиц, к-рой определяется величина О. д.

Число i, показывающее, во сколько раз О. д. (дэ) р-ра электролита больше О. д. (л) р-ра неэлектролита той же молярной концентрации, называют изотоническим коэффициентом Вант-Гоффа:

Численная величина i зависит от природы электролита и его концентрации в р-ре. Для слабых электролитов величина i может быть вычислена по формуле:

где а — степень диссоциации электролита, а N — число ионов, на к-рые распадается одна молекула электролита. Для разбавленных р-ров сильных электролитов i можно принять равным N.

Из сказанного следует, что О. д. р-ра электролита можно вычислить по уравнению:

где с — молярная концентрация.

Если в р-ре, кроме низкомолекулярных растворенных веществ, содержатся высокомолекулярные вещества (коллоиды), то О. д., обусловленное высокомолекулярными веществами, называют, по предложению Шаде (H. Schade), онкотическим, или коллоидно-осмотическим давлением.

Общее Осмотическое давление плазмы крови человека в норме равно 7,6 атм, онкотическое давление, обусловленное в основном белками плазмы, составляет только 0,03—0,04 атм. Онкотическое давление, несмотря на малую величину по сравнению с общим О. д. плазмы крови, играет большую роль в распределении воды между кровью и тканями организма.

Многие биополимеры, напр, белки, нуклеиновые к-ты и др., являясь полиэлектролитами, при диссоциации в р-ре образуют многозарядные ионы (полиионы) большого мол. веса (массы), для к-рых мембрана осмометра непроницаема, и обычные ионы малых размеров, проходящие сквозь полупроницаемую мембрану. Если в р-ре, заполняющем осмометр, содержится полиэлектролит, то низкомолекулярные ионы, диффундирующие сквозь мембрану, неравномерно распределяются по обе стороны мембраны (см. Мембранное равновесие). Наблюдаемое при этом избыточное гидростатическое давление в осмометре будет равно πБ = πБ + π1 — π2, где πБ — О. д., обусловленное биополимером, а π1 и π2 — О. д. низкомолекулярного электролита, находящегося в осмотической ячейке и во внешнем р-ре соответственно. При измерении О. д. р-ров биополимеров необходимо учитывать возможность неравномерного распределения низкомолекулярных электролитов по обе стороны полупроницаемой мембраны осмометра или проводить измерения при достаточном избытке низкомолекулярного электролита, специально вводимого в р-р биополимера. В этом случае низкомолекулярный электролит распределяется по обе стороны полупроницаемой мембраны практически равномерно, при этом = π1 = π2 и πБ = πН.

Осморегуляция

Совокупность механизмов, обеспечивающих поддержание О. д. в жидких средах организма на оптимальном для обмена веществ уровне, называют осморегуляцией. Получая информацию от рецепторных зон об изменении О. д. крови, ц. н. с. включает ряд механизмов, возвращающих систему в оптимальное для организма состояние. Включение происходит двумя путями: нервным и гуморальным. Отклонение величины О. д. от оптимального уровня улавливается в организме осморецепторами (см.), среди к-рых ведущее место занимают центральные осморецепторы, расположенные в супраоптическом и паравентрикулярном ядрах гипоталамуса (см.).

Читайте также:  Метод неинвазивного измерения артериального давления

Клетки супраоптического ядра гипоталамуса способны секретировать антидиуретический гормон (АДГ), по аксонам этих клеток он перемещается в нейрогипофиз, где происходит его накопление и выведение в общий кровоток (см. Вазопрессин). АДГ влияет на реабсорбцию воды в дистальных отделах нефрона и способен вызывать сужение просвета сосудов. Афферентные сигналы, регулирующие выделение АДГ, поступают в гипоталамус от объемных рецепторов (волюморецепторов) левого предсердия, от рецепторов дуги аорты, от осморецепторов внутренней сонной артерии, от баро рецепторов и хеморецепторов каротидного синуса. Увеличение О. д. внеклеточной жидкости вызывает возрастание секреции АДГ как за счет самого осмотического давления, так и за счет уменьшения объема внеклеточной жидкости при обезвоживании организма. Т. о., на выделение АДГ влияют две системы сигнализации: сигнализация от осморецепторов и сигнализация от барорецепторов и волюморецепторов. Однако ведущим звеном в регуляции секреции АДГ все же является О. д. плазмы крови, действующее на осморецепторы гипоталамуса.

Особая роль в поддержании физиологических величин Осмотического давления принадлежит ионам натрия (см.). Дегидратация возникает именно в связи с изменением содержания ионов Na + . При обезвоживании из-за изменения содержания ионов Na+ уменьшение объема артериальной крови и межклеточной жидкости регистрируется волюморецепторами, импульсы от к-рых по нервным путям достигают отделов ц. н. с., регулирующих выделение одного из минералокортикоидных гормонов — альдостерона (см.), к-рый повышает реабсорбцию натрия. Центральная регуляция секреции альдостерона осуществляется гипоталамусом, продуцирующим адренокортикотропин-рилизинг-фактор (АКТГ-рилизинг-фактор), к-рый регулирует секрецию адренокортикотропного гормона (АКТГ), образуемого передней долей гипофиза (см. Адренокортикотропный гормон). Существует мнение, что наряду с влиянием АКТГ на секрецию альдостерона, есть особый центр регуляции секреции альдостерона, расположенный в среднем мозге. Именно сюда и поступает афферентная импульсация при уменьшении объема межклеточной жидкости в результате изменения содержания ионов натрия. Клетки центра регуляции секреции альдостерона в среднем мозге способны к нейросекреции — образующийся гормон поступает в эпифиз, где накапливается и оттуда выделяется в кровь. Этот гормон получил название адреногломерулотропина (АГТГ).

Выделение АДГ и альдостерона может регулироваться и ангиотензином (см.), очевидно путем его действия на особые рецепторы гипоталамических нейронов. Ренин-ангиотензинная система почек может выступать как волюморецепторная зона, реагирующая на изменение почечного кровотока.

На нормализацию измененного О. д. влияют также мочевыделение (см. Диурез), транскапиллярный обмен жидкости и ионов (см. Водно-солевой обмен), потоотделение (см.), выделение жидкости через легкие (с выдыхаемым воздухом в сутки теряется 350—400 мл воды) и выделение жидкости через жел.-киш. тракт (100—200 мл воды теряется с калом).

Способностью к нормализации Осмотического давления обладает и сама кровь. Она может выполнять роль осмотического буфера при всевозможных сдвигах как в сторону осмотической гипертонии, так и гипотонии. По-видимому, эта функция крови связана, во-первых, с перераспределением ионов между плазмой и эритроцитами и, во-вторых, со способностью белков плазмы крови связывать или отдавать ионы.

При уменьшении водных ресурсов организма или нарушении нормального соотношения между водой и минеральными солями (гл. обр. хлористым натрием) возникает жажда (см.), удовлетворение к-рой способствует поддержанию физиологического уровня водного баланса и электролитного равновесия в организме (см. Гомеостаз).

Библиография: Бладергрён Н. В. Физическая химия в медицине и биологии, пер. с нем., с. 102 и др., М., 1951; Вагнер Р. Г. Определение осмотического давления, в кн.: Физич. методы органической химии, под ред. А. Вайсбергера, пер. с англ., т. 1, с. 270, М., 1950, библиогр.; Гинецинский А. Г. Физиологические механизмы водно-солевого равновесия, М.—Л., 1963; Губанов Н. И. и Утепбергенов А. А. Медицинская биофизика, с. 149, М., 1978; Наточин Ю. В. Ионорегулирующая функция почки, Д., 1976; Сатпаева X. К. Внепочечные механизмы осморегуляции, Алма-Ата, 1971, библиогр.; Уильямс В. и Уильямс X. Физическая химия для биологов, пер. с англ., с. 146, М., 1976; Физиология почки, под ред. Ю. В. Наточина, Л., 1972; Andersson В. Regulation of water intake, Physiol. Rev., v. 58, p. 582, 1978, bibliogr.

В. П. Мишин; С. А. Осиповский (физ.).

Источник

Adblock
detector