Меню

В чем сущность осмоса и как возникает осмотическое давление

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.

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.

Читайте также:  Рвота при низком давлении во время беременности

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.).

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).

Читайте также:  Насос для повышения давления воды в водопроводе холодной воды

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

Осмос и осмотическое давление

Непрерывным движением молекул в жидких растворах обусловлено явление диффузии. При наличии в растворе неоднородности, например двух слоев с разными концентрациями и плотностями (рис. 12.9), частицы растворенного вещества преимущественно перемещаются в направлении слоя раствора с меньшей концентрацией. Можно визуально наблюдать постепенное перемещение интенсивно окрашенной зоны раствора вверх. Граница между слоями раствора становится все более расплывчатой, и падение концентрации от максимальной до минимальной по высоте происходит постепенно. В обратном направлении идет диффузия молекул растворителя. Скорость диффузии зависит от перепада (градиента) концентраций, размеров молекул, вязкости среды и температуры.

Диффузией называется явление самопроизвольного переноса вещества в жидкости или газе из области с большей концентрацией в область с меньшей концентрацией.

Представим себе теперь, что бесцветный раствор сахара и вода разделены пористой перегородкой, через которую могут проходить только молекулы растворителя, но нс проходят молекулы сахара. Один из давно известных способов изготовления такой перегородки состоит в том, что пористый керамический сосуд, пропитанный раствором сульфата меди, погружают в раствор желтой кровяной соли K4[Fe(CN)6]. В порах цилиндра образуется нерастворимая комплексная соль Cu2[Fe(CN)6]. Размеры пор в этом осадке таковы, что керамическая стенка сосуда приобретает свойство полупроницаемости. Возможно изготовление полупроницаемых перегородок из разнообразных материалов. Тонкие полупроницаемые перегородки называют мембранами. Оболочки растительных и животных клеток и внутриклеточные перегородки также являются полупроницаемыми мембранами, способными избирательно пропускать не только молекулы воды, но и некоторые другие молекулы и ионы.

Если в сосуд, обработанный, как описано выше, налить раствор сахара и погрузить сосуд в воду (рис. 12.10), то через мембрану будут проходить только молекулы воды. Скорость переноса воды окажется больше в направлении из чистой воды в раствор сахара. Вследствие этого объем раствора постепенно увеличивается, а концентрация его уменьшается. Наблюдаемое явление называется осмосом. Осмос идет также между двумя растворами разной концентрации, если они помещены по разные стороны мембраны. Растворитель переходит из раствора с меньшей концентрацией растворенного вещества в раствор с большей концентрацией. В этом случае перенос растворителя заканчивается при выравнивании концентрации растворов.

Осмос — это явление самопроизвольного переноса растворителя через полупроницаемую мембрану из чистого растворителя в раствор или из раствора с меньшей концентрацией растворенного вещества в раствор с большей концентрацией.

Рис. 12.9. Диффузия сульфата меди в растворе с перепадом концентрации

Осмос играет очень важную роль в жизни животных и растительных организмов. Если клетка окружена жидкостью с небольшой концентрацией растворенных веществ, то вода переносится из среды в клетку, увеличивая объем цитозоля и растягивая оболочку клетки. В результате клетка поддерживается в напряженном состоянии. Вот почему такие мягкие части растения, как травянистые стебли, листья, лепестки цветов обладают упругостью. У срезанного растения вследствие испарения воды объем цитозоля уменьшается, оболочки клеток теряют натяжение, и растение вянет. Но стоит только

Читайте также:  Повышенное давление как понизить лекарства

начавшее вянуть растение поставить в воду, как возникает осмос, оболочки клеток снова напрягаются и растение принимает прежний вид.

В медицине строго соблюдается требование изотоничности, т.е. одинакового осмотического давления, биологических жидкостей и инъекционных растворов.

При сильном разбавлении крови водой начинается разрушение (гемолиз) кровяных клеток вследствие осмотического переноса воды внутрь клеток. Кровяные клетки, помещенные в раствор с высокой концентрацией, например 5%-ный раствор хлорида натрия, теряют воду вследствие осмоса и сжимаются — происходит плазмолиз. Эти явления предотвращаются внутривенным введением лекарств в изотоническом растворе. Изотопическим по отношению к крови является 0,9%-ный раствор хлорида натрия в воде

На рис. 12.10 показано, что раствор, вода проникает в раствор через объем которого увеличивается в резуль- полупроницаемую стенку тате осмоса, постепенно поднимается но трубке. Столб жидкости, возвышающейся над наружной поверхностью воды, создает гидростатическое давление, направленное против движущей силы осмоса. При достаточном поднятии жидкости по трубке осмос прекращается. Давление столба жидкости начинает выталкивать растворитель через мембрану с такой же силой, с какой растворитель проникает в раствор. Устанавливается осмотическое равновесие. В этом состоянии давление столба жидкости равно движущей силе осмоса, называемой осмотическим давлением л.

Величина осмотического давления была исследована методом уравновешивания осмоса приложенным внешним давлением с применением осмометров, в принципе не отличающихся от прибора на рис. 12.10. Исследования разных растворов показали, что в случае разбавленных растворов осмотическое давление не зависит от природы растворенного вещества и растворителя. Оно прямо пропорционально молярной концентрации раствора и абсолютной температуре:

Коэффициент k оказался одним и тем же для разных растворителей и растворенных веществ (в этом и проявляется независимость осмотического давления от природы раствора). Интереснее всего то, что численное значение этого коэффициента совпадает с универсальной газовой постоянной R = 8,31 л -кПа моль -1 • К -1 . Таким образом, можно написать окончательное уравнение

Учитывая, что молярная концентрация с = п/ У, мы можем убедиться, что уравнение (12.6) формально не отличается от уравнения состояния идеального газа:

Сходство уравнений для расчета давления газа и осмотического давления, обнаруженное голландским ученым Я. Вант-Гоффом (1852—1911), позволило ему дать следующую формулировку закона осмотического давления (закона Вант-Гоффа).

Осмотическое давление раствора равно тому давлению, которое производило бы растворенное вещество, если бы оно при той же температуре находилось в газообразном состоянии и занимало объем, равный объему раствора.

Пример 12.12. Какое осмотическое давление может производить одномолярный (1 моль в 1 л) раствор сахарозы?

Решение. Если взять газ, 1 моль которого сжат до объема 1 л при 0°С, то давление газа составит 22,4 атм, так как при давлении 1 атм газ занимал бы объем 22,4 л. Таким образом, по закону Вант-Гоффа раствор, данный в условии задачи, мог бы производить осмотическое давление 22,4 атм. Это весьма большое давление; оно приблизительно равно давлению воды на глубине 220 м.

Необходимо, однако, подчеркнуть, что, несмотря на полную аналогию числовых зависимостей, механизмы газового и осмотического давлений совершенно различны. Раствор в обычном сосуде никак не проявляет своего осмотического давления. Но представим себе раствор с концентрацией 1 моль/л, помещенный в полупроницаемую сферическую оболочку из керамики. Эту оболочку погружают в воду. Поскольку керамика не эластична, осмотический перенос воды внутрь оболочки очень быстро создаст осмотическое давление на внутреннюю поверхность 22,4 атм. Оболочка может не выдержать такого давления и разрушиться раньше, чем установится осмотическое равновесие.

Расчеты по закону Вант-Гоффа дают точные результаты только для разбавленных растворов. В концентрированных растворах наблюдаются значительные отклонения от измеренных на опыте значений. Особенно сильные отклонения обнаруживаются в водных растворах электролитов — веществ, проводящих электрический ток в водном растворе, о чем подробно будет сказано в гл. 13.

На основе зависимости между молярной концентрацией и осмотическим давлением раствора можно по измеренному значению тт вычислять молярные массы таких веществ, которые не могут быть переведены в газообразное состояние, но образуют растворы в тех или иных растворителях.

Пример 12.13. 3 г неизвестного вещества растворили в 500 мл воды. Измеренное осмотическое давление этого раствора при 20 °С составило 243,6 кПа. Вычислите молярную массу вещества.

Решение. Преобразуем уравнение Вант-Гоффа, подставив с = m/(MV):

Отсюда получаем выражение для расчета молярной массы: Производим вычисления:

Возможно, что это вещество карбамид CO(NH2)2.

Источник

Adblock
detector