Осмотическое давление (осмос)

В животных и растительных организмах, а также в экспериментальных исследованиях существуют полупроницаемые мембраны – перегородки, разделяющие раствор (р-р) и растворитель (р-ль).

Рассмотрим мембраны, которые проницаемы только для молекул р-ля. При наличии мембраны в р-рах наблюдается явление осмоса.

Осмос – самопроизвольный переход р-ля через мембрану, непроницаемую для раств.в-ва.

Осмотическое давление (р_осм, ∏ (пи)) – сила, осуществляющая осмос.

Через какое-то время в результате осмоса уровень р-ра станет больше, а уровень р-ля меньше. Переход воды будет сопровождаться уменьшением ее уровня по одной стороне от мембраны и увеличением по другой. В результате в той стороне от мембраны, куда поступает вода, появится встречная сила, вызванная разностью уровней жидкости, которая называется гидростатическим давлением. Следовательно, осмос будет осуществляться до определённого предела, пока сила, заставляющая р-ль проникать через перегородку (осмотическое давление), не сравняется с давлением жидкости, препятствующим этому переходу (гидростатическое давление):

р_гидр = -р_осм

С точки зрения термодинамики движущей силой осмоса является стремление системы к выравниванию концентраций. При этом энтропия системы увеличивается, т.к. система переходит в менее упорядоченное состояние. Энергия Гиббса системы уменьшается, химические потенциалы выравниваются. Т.обр., осмос – процесс самопроизвольный.

Вант-Гофф предложил уравнение и закон для расчёта осмотического давления разбавленных р-ров неэлектролитов.

 

Закон Вант-Гоффа:

«Для р-ров, разделённых полупроницаемой перегородкой, которая проницаема для молекул р-ля и непроницаема для молекул раств.в-ва, равновесие может установиться, если давление над р-ром превышает давление над р-лем на величину ∏».

р- р₁ = ∏

∏ показывает, во сколько раз увел. число частиц

∏ = СRT, где

∏ - осмотическое давление, кПа

С – молярная концентрация р-ра, моль / л

R – универсальная газовая постоянная = 8,31 Дж / моль * К

Из уравнения Вант-Гоффа следует, что осм.давление р-ра прямопропорционально его концентрации и температуре.

Зная, что поведение р-ра в-ва подчиняется закону Вант-Гоффа, можно вычислить молекулярную массу этого в-ва, исходя из ∏:

∏ = СRT = ⱱ / V * R * T = m \ Mr * V * R * T

Mr = mRT \ ∏ * V

Из этого закона следует также, что эквимолярные (равные по молярной концентрации) р-ры разных в-в при одинаковой температуре и равном объёме, обладают одинаковым осмотическим давлением, т.е. являются изоосмотическими. Это вытекает из следующего. Из уравнения Вант-Гоффа можно рассчитать количество в-ва:

ⱱ = m \ Mr = ∏ * V \ RT

Видно, что при постоянной температуре и объёме системы оно зависит только от величины ∏.

Чтобы рассчитать осмотическое давление электролитов Вант-Гофф ввел в формулу поправочный коэффициент i – изотонический коэффициент, который определяется экспериментально и показывает, во сколько раз реальное число растворенных частиц больше теоретического:

i = N_эксп. / N_теор.

Для неэлектролитов i = 1, а для электролитов i > 1.

Изотонический коэффициент рассчитывается по формуле:

i = 1 + α(n – 1), где α – степень диссоциации, в долях единицы; n – число ионов, на которые распадается молекула.

Осмос в организме.

Клеточные стенки растительных и животных тканей обладают избирательной проникающей способностью для различных в-в. Так, концентрация К и Mg в клетке выше, чем вне её, а Na и Са – наоборот, что осуществляется и поддерживается определёнными мембранными белками (напр., белком, называемым «натрий-калиевый насос»). Это создаёт осмотическое давление в клетке, обеспечивающее ее форму и форму тканей, а также определяет тургор, т.е. упругость клеток. В результате осморегуляции осуществляется выведение воды или солей (преимущественно NaCl) из организма, а также задержка и перераспределение их в организме. Человеческий организм обладает постоянным осмотическим давлением крови (740 – 780 кПа) и других биологических жидкостей, т.е. имеет место осмотический гомеостаз.                                                                                                         В животных и растительных организмах, а также в экспери­ментальных исследованиях существуют и применяются полу­проницаемые перегородки — мембраны, разделяющие раствори­тель и раствор или растворы различной концентрации. Мембра­ны различают по составу, структуре, размеру пор, отношению к различным растворителям. Они могут быть животного (на­пример, мочевой пузырь), растительного (оболочка клетки) и искусственного происхождения (пленки из целлофана, колло­дия). Некоторые из них проницаемы только для растворенного вещества, другие — только для молекул растворителя. Например, глиняная мембрана, содержащая в порах соль Cu₂[Fe(CN)6], проницаема только для молекул воды. Именно мембраны послед­него типа будут рассмотрены в этом разделе. Различные биоло­гические мембраны, проницаемые не только для частиц раствори­теля, но и для ионов и молекул растворенных веществ, будут рассмотрены в разделе «Мембранные потенциалы». При наличии мембран в растворах наблюдают явление осмоса.                                                                        Осмосом называют преимущественно одностороннее проникновение моле­кул растворителя (диффузию) через полупроницаемую мембрану из растворителя в раствор или из раствора с меньшей концентрацией в раствор с большей концентрацией.

Необходимым условием возникновения осмоса является наличие растворителя и раствора или двух растворов различной концентрации, разделенных полупроницаемой мембраной.

С точки зрения термодинамики дви­жущей силой осмоса является стремление системы к выравниванию концентраций; так как при этом энтропия системы возрастает (AS>0), по­скольку система переходит в менее упорядоченное состояние, энергия Гиббса системы G соответственно уменьшается, химиче­ские потенциалы выравниваются. Поэтому осмос — самопроиз­вольный процесс.