Осмотическое давление в разбавленных растворах

Если разделить два раствора с различной концентрацией полупроницаемой перегородкой, пропускающей молекулы растворителя, но препятствующей переходу частиц растворенного вещества, будет наблюдаться самопроизвольный переход растворителя через мембрану из менее концентрированного раствора в более концентрированный.

Явление осмоса иллюстрируется рис. 7.10. Пусть в большом сосуде будет вода, а в малом сосуде — раствор сахара. Нижняя грань сосуда представляет собой полупроницаемую мембрану, которая пропускает молекулы воды, но не попускает молекулы сахара.

Рис. 7.10. Иллюстрация осмоса.

После помещения малого сосуда в большой начинается переход молекул воды через полупроницаемую мембрану из области с меньшей концентраций раствора (вода в большом сосуде) в область с большей концентрацией (раствор сахара в малом сосуде). Направление перехода показано на рисунке стрелкой.

Таким образом, осмос — процесс перехода растворителя через полупроницаемую мембрану из области с меньшей концентрацией растворенного вещества в область с большей его концентрацией. Осмотические свойства раствора количественно характеризуются величиной осмотического давления. Осмотическое давление (л) — это давление, которое оказывает растворитель на полупроницаемую мембрану при переходе из области с меньшей концентрацией растворенного вещества в область с большей его концентрацией. Направление осмотического давления показано на рис. 7.10 стрелкой.

Осмотическое давление идеальных растворов линейно зависит от температуры и молярной концентрации раствора С и может быть рассчитано по уравнению.

(7.6).

Достаточно сложно осуществить непосредственное измерение осмотического давления. Поэтому используют косвенные методы. В частности, при установлении равновесия в системе, приведенной па рис. 7.10, осмотическое давление компенсируется гидростатическим давлением столба жидкости высотой к:

Известно, что р_гидр = рgh, где р — плотность раствора в малом сосуде; g — ускорение свободного падения; h — разность уровней растворов в большом и малом сосудах.

Следовательно, измеряя величину h в состоянии равновесия, можно определить осмотическое давление п.

Обращает на себя внимание сходство уравнения осмотического давления (7.6) с уравнением состояния идеального газа.

Осмос играет важнейшую роль в процессах жизнедеятельности животных и растений, поскольку клеточная мембрана является полупроницаемой. Осмос обусловливает поднятие воды по стеблю растений, рост клетки и многие другие явления.

Рассмотрим роль осмоса в водном режиме растительной клетки. Осмотическое давление жидкости, контактирующей с клеткой, может быть больше, меньше либо равно осмотическому давлению внутриклеточной жидкости. Соответственно выделяют гипертонические, гипотонические и изотонические растворы.

Если клетка находится в контакте с гипертоническим раствором, вода выходит из нее путем осмоса через мембрану. Протопласт (живое содержимое клетки) при этом уменьшается в объеме, сморщивается и, в конце концов, отстает от клеточной стенки. Этот процесс называют плазмолизом. Процесс плазмолиза обычно обратим.

Если клетку поместить в чистую воду или гипотонический раствор, вода путем осмоса поступает в клетку; протопласт при этом увеличивается в объеме и оказывает давление на сравнительно жесткую клеточную стенку. Этот процесс называется тургором. Тургорное давление препятствует дальнейшему поступлению воды в клетку. Именно тургорное давление поддерживает стебли растений в вертикальном положении, придает растениям прочность и устойчивость.

Изотонические растворы не оказывают влияния на водный режим клетки. В тканях растений осмотическое давление составляет 5—20 атм, а у растений в пустынях доходит до 170 атм.

Для роста и развития растений большое значение имеет соотношение между осмотическим давлением почвенного раствора и клеточного сока. Растение может нормально развиваться лишь тогда, когда осмотическое давление клеточного сока больше осмотического давления почвенного раствора.

Высокоорганизованные животные и человек отличаются постоянным осмотическим давлением крови (изоосмией). Нарушение се губительно. Понижение осмотического давления при введении больших количеств воды или в результате потери солей (например, с йотом) вызывает рвоту, судороги и т. п., вплоть до гибели. Повышение осмотического давления введением больших количеств солей приводит к перераспределению воды. Она скапливается в тех тканях, где содержится избыток солей, возникают отеки.

Локальные изменения осмотического давления могут быть большими. Например, при воспалениях, при ранах происходит распад белков, что приводит к увеличению концентрации структурных единиц в очаге, значительно повышает в нем осмотическое давление, что может приводить к местным отекам.

У животных клеток нет клеточной стенки, поэтому они более чувствительны к осмотическому давлению жидкости, в которой находятся. Животные клетки имеют систему защиты, основанную на осморегуляции; организм животного стремится поддерживать осмотическое давление всех тканевых жидкостей на постоянном уровне. Например, осмотическое давление крови и лимфы человека — 7,7 атм при 37 °C. Такое же осмотическое давление имеет 0,9%-ный раствор хлорида натрия. Физиологический раствор, изотоничный крови, широко применяется в медицине.

В хирургии применяют гипертонические повязки, представляющие собой марлю, смоченную в гипертонических растворах NaCl. Их вводят в гнойные раны. Согласно законам осмоса ток раневой жидкости направляется по марле наружу. Рана очищается от микроорганизмов, продуктов распада, гноя и т. д.