4 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Осмотическое давление

Осмотическое давление

Определение «Осмотическое давление» в Большой Советской Энциклопедии

Осмометр (схема)

Осмотическое давление, диффузное давление, термодинамический параметр, характеризующий стремление раствора к понижению концентрации при соприкосновении с чистым растворителем вследствие встречной диффузии молекул растворённого вещества и растворителя. Если раствор отделен от чистого растворителя полупроницаемой мембраной, то возможна лишь односторонняя диффузия — осмотическое всасывание растворителя через мембрану в раствор. В этом случае Осмотическое давление становится доступной для прямого измерения величиной, равной избыточному давлению, приложенному со стороны раствора при осмотическом равновесии (см. Осмос). Осмотическое давление обусловлено понижением химического потенциала растворителя в присутствии растворённого вещества. Тенденция системы выравнивать химические потенциалы во всех частях своего объёма и перейти в состояние с более низким уровнем свободной энергии вызывает осмотическое (диффузионный) перенос вещества. Осмотическое давление в идеальных и предельно разбавленных растворах не зависит от природы растворителя и растворённых веществ; при постоянной температуре оно определяется только числом «кинетических элементов» — ионов, молекул, ассоциатов или коллоидных частиц — в единице объёма раствора. Первые измерения Осмотическое давление произвёл В. Пфеффер (1877), исследуя водные растворы тростникового сахара. Его данные позволили Я. X. Вант-Гоффу установить (1887) зависимость Осмотическое давление от концентрации растворённого вещества, совпадающую по форме с Бойля — Мариотта законом для идеальных газов. Оказалось, что Осмотическое давление (p) численно равно давлению, которое оказало бы растворённое вещество, если бы оно при данной температуре находилось в состоянии идеального газа и занимало объём, равный объёму раствора. Для весьма разбавленных растворов недиссоциирующих веществ найденная закономерность с достаточной точностью описывается уравнением: pV = nRT, где n — число молей растворённого вещества в объёме раствора V; R — универсальная газовая постоянная; Т — абсолютная температура. В случае диссоциации вещества в растворе на ионы в правую часть уравнения вводится множитель i > 1, коэффициент Вант-Гоффа; при ассоциации растворённого вещества i < 1. Осмотическое давление реального раствора (p») всегда выше, чем идеального (p»»), причём отношение p»/ p»» = g, называемое осмотическим коэффициентом, увеличивается с ростом концентрации. Растворы с одинаковым Осмотическое давление называется изотоническими или изоосмотическими. Так, различные кровезаменители и физиологические растворы изотоничны относительно внутренних жидкостей организма. Если один раствор в сравнении с другим имеет более высокое Осмотическое давление, его называют гипертоническим, а имеющий более низкое Осмотическое давление — гипотоническим.

Осмотическое давление измеряют с помощью специальных приборов — осмометров. Различают статические и динамические методы измерения. Первый метод основан на определении избыточного гидростатического давления по высоте столба жидкости Н в трубке осмометров (рис.) после установления осмотического равновесия при равенстве внешних давлений pA и рБ в камерах А и Б. Второй метод сводится к измерению скоростей v всасывания и выдавливания растворителя из осмотической ячейки при различных значениях избыточного давления Dp = pAрБ с последующей интерполяцией полученных данных к n = 0 при Dp = p. Многие осмометры позволяют использовать оба метода. Одна из главных трудностей в измерении Осмотическое давление — правильный подбор полупроницаемых мембран. Обычно применяют плёнки из целлофана, природных и синтетических полимеров, пористые керамические и стеклянные перегородки. Учение о методах и технике измерения Осмотическое давление называются осмометрией. Основное приложение осмометрии — определение молекулярной массы (М) полимеров. Значения М вычисляют из соотношения , где с — концентрация полимера по массе; А — коэффициент, зависящий от строения макромолекулы.

Осмотическое давление может достигать значительных величин. Например, 4%-ный раствор сахара при комнатной температуре имеет Осмотическое давление около 0,3 Мн/м 2 , а 53%-ный — около 10 Мн/м 2 ; Осмотическое давление морской воды около 0,27 Мн/м 2 .
Л. А. Шиц.

Осмотическое давление в клетках животных, растений, микроорганизмов и в биологических жидкостях зависит от концентрации веществ, растворённых в их жидких средах. Солевой состав биологических жидкостей и клеток, характерный для организмов каждого вида, поддерживается избирательной проницаемостью биологических мембран для разных солей и активным транспортом ионов. Относительное постоянство Осмотическое давление обеспечивается водно-солевым обменом, т. е. всасыванием, распределением, потреблением и выделением воды и солей (см. Выделение, Выделительная система, Осморегуляция). У т. н. гиперосмотических организмов внутреннего Осмотическое давление больше внешнего, у гипоосмотических — меньше внешнего; у изоосмотических (пойкилоосмотических) внутреннее Осмотическое давление равно внешнему. В первом случае ноны активно поглощаются организмом и задерживаются в нём, а вода поступает через биологич. мембраны пассивно, в соответствии с осмотическим градиентом. Гиперосмотическая регуляция свойственна пресноводным организмам, мор. хрящевым рыбам (акулы, скаты) и всем растениям. У организмов с гипоосмотической регуляцией имеются приспособления для активного выделения солей. У костистых рыб преобладающие в океанических водах ионы Na + и Cl — выделяются через жабры, у морских пресмыкающихся (змеи и черепахи) и у птиц — через особые солевые железы, расположенные в области головы. Ионы Mg 2 + , , у этих организмов выделяются через почки. Осмотическое давление у гипер- и гипоосмотических организмов может создаваться как за счёт ионов, преобладающих во внешней среде, так и продуктов обмена. Например, у акуловых рыб и скатов Осмотическое давление на 60% создаётся за счёт мочевины и триметиламмония; в плазме крови млекопитающих — главным образом за счёт ионов Na + и Cl — ; в личинках насекомых — за счёт разнообразных низкомолекулярных метаболитов. У морских одноклеточных, иглокожих, головоногих моллюсков, миксин и др. изоосмотических организмов, у которых Осмотическое давление определяется Осмотическое давление внешней среды и равно ему, механизмы осморегуляции отсутствуют (исключая клеточные).

Читайте так же:
Полуавтомат регулировка подачи напряжения

Диапазон средних величин Осмотическое давление в клетках организмов, не способных поддерживать осмотический гомеостаз, довольно широк и зависит от вида и возраста организма, типа клеток и Осмотическое давление окружающей среды. В оптимальных условиях Осмотическое давление клеточного сока наземных органов болотных растений колеблется от 2 до 16 ат, у степных — от 8 до 40 ат. В разных клетках растения Осмотическое давление может резко различаться (так, у мангровых Осмотическое давление клеточного сока около 60 ат, а Осмотическое давление в сосудах ксилемы не превышает 1-2 ат). У гомойосмотических организмов, т. е. способных поддерживать относительное постоянство Осмотическое давление, средней величины и диапазон колебаний Осмотическое давление различны (дождевой червь — 3,6-4,8 ат, пресноводные рыбы — 6,0-6,6, океанические костистые рыбы — 7,8-8,5, акуловые — 22,3-23,2, млекопитающие — 6,6-8,0 ат). У млекопитающих Осмотическое давление большинства биологических жидкостей равно Осмотическое давление крови (исключение составляют жидкости, выделяемые некоторыми железами, — слюна, пот, моча и др.). Осмотическое давление, создаваемое в клетках животных высокомолекулярными соединениями (белки, полисахариды и др.), незначительно, но играет важную роль в обмене веществ (см. Онкотическое давление).
Ю. В. Наточин, В. В. Кабанов.

Лит.: Мелвин-Хьюз Э. А., Физическая химия, пер. с англ., кн. 1-2, М., 1962; Курс физической химии, под ред. Я. И. Герасимова, т. 1-2, М. — Л., 1963-1966; Пасынский А. Г., Коллоидная химия, 3 изд., М., 1968: Проссер Л., Браун Ф., Сравнительная физиология животных, пер. с англ., М., 1967; Гриффин Д., Новик Эл., Живой организм, пер. с англ., 1973; Нобел П., Физиология растительной клетки (физико-химический подход), пер. с англ., М., 1973.

Осмотическое давление крови

Осмотическим давлением называется сила, которая заставляет переходить растворитель (для крови это вода) через полупроницаемую мембрану из раствора с меньшей концентрацией в более концентрированный раствор. Осмотическое давление определяет транспорт воды из внеклеточной среды организма в клетки и наоборот. Оно обусловлено растворимыми в жидкой части крови осмотически активными веществами, к которым относятся ионы, белки, глюкоза, мочевина и др.

Осмотическое давление определяется криоскопическим методом, с помощью определения точки замерзания крови. Выражается оно в атмосферах (атм.) и миллиметрах ртутного столба (мм рт. ст.). Рассчитано, что осмотическое давление равно 7,6 атм. или 7,6 х 760 = мм рт. ст.

Для характеристики плазмы как внутренней среды организма особое значение имеет суммарная концентрация всех ионов и молекул, содержащихся в ней, или ее осмотическая концентрация. Физиологическое значение постоянства осмотической концентрации внутренней среды заключается в поддержании целостности мембраны клеток и обеспечении транспорта воды и растворенных веществ.

Осмотическая концентрация в современной биологии измеряется в осмолях (осм) или миллиосмолях(мосм) – тысячная доля осмоля.

Осмоль — концентрация одного моля неэлектролита (например, глюкозы, мочевины и др.), растворенного в литре воды.

Осмотическая концентрация неэлектролита меньше осмотической концентрации электролита, так как молекулы электролита диссоциируют на ионы, вследствие чего возрастает концентрация кинетически активных частиц, которыми и определяется величина осмотической концентрации.

Осмотическое давление, которое может развить раствор, содержащий 1 осмоль равно 22,4 атм. Поэтому осмотическое давление может быть выражено в атмосферах или миллиметрах ртутного столба.

Осмотическая концентрация плазмы равна 285 – 310 мосм (в среднем 300 мосм или 0,3 осм), это один из самых жестких параметров внутренней среды, его постоянство поддерживается системой осморегуляции с участием гормонов и изменением поведения – возникновение чувства жажды и поиск воды.

Часть общего осмотического давления, обусловленная белками, называется коллоидно-осмотическим (онкотическим) давлением плазмы крови. Онкотическое давление равно 25 — 30 мм рт. ст. Основная физиологическая роль онкотического давления заключается в удержании воды во внутренней среде.

Увеличение осмотической концентрации внутренней среды приводит к переходу воды из клеток в межклеточную жидкость и кровь, клетки сморщиваются и их функции нарушаются. Уменьшениеосмотической концентрацииприводит к тому, что вода переходит в клетки, клетки набухают, их мембрана разрушается, происходит плазмолиз.Разрушение вследствие набухания клеток крови называется гемолиз. Гемолиз— разрушение оболочки самых многочисленных клеток крови — эритроцитов с выходом гемоглобина в плазму, которая окрашивается при этом в красный цвет и становится прозрачной (лаковая кровь). Гемолиз может быть вызван не только уменьшением осмотической концентрации крови. Различают следующие виды гемолиза:

1. Осмотический гемолиз— развивается при уменьшении осмотического давления. Происходит набухание, затем разрушение эритроцитов.

2. Химический гемолиз— происходит под влиянием веществ, разрушающих белково-липидную оболочку эритроцитов (эфир, хлороформ, алкоголь, бензол, желчные кислоты, сапонин и др.).

3. Механический гемолиз— возникает при сильных механических воздействиях на кровь, например, сильном встряхивании ампулы с кровью.

4. Термический гемолиз — обусловлен замораживанием и размораживанием крови.

5. Биологический гемолиз— развивается при переливании несовместимой крови, при укусах некоторых змей, под влиянием иммунных гемолизинов и т.д.

В этом разделе остановимся подробнее на механизме осмотического гемолиза. Для этого уточним такие понятия как изотонические, гипотонические и гипертонические растворы. Изотонические растворы имеют суммарную концентрацию ионов, не превышающую 285—310 ммоль. Это может быть 0,85% раствор хлористого натрия (его часто называют «физиологическим» раствором, хотя это не полностью отражает ситуацию), 1,1% раствор хлористого калия, 1,3% раствор бикарбоната натрия, 5,5% раствор глюкозы и т.д. Гипотонические растворы имеют меньшую концентрацию ионов — менее 285 ммоль. Гипертонические, наоборот, большую — выше 310 ммоль. Эритроциты, как известно, в изотоническом растворе не изменяют свой объем. В гипертоническом растворе — уменьшают его, а гипотоническом — увеличивают свой объем пропорционально степени гипотонии, вплоть до разрыва эритроцита (гемолиза) (рис. 2).

Читайте так же:
Краска для регулировки редуктора

Рис. 2. Состояние эритроцитов в растворе NaCl различной концентрации: в гипотоническом растворе — осмотический гемолиз, в гипертоническом -плазмолиз.

Явление осмотического гемолиза эритроцитов используется в клинической и научной практике с целью определения качественных характеристик эритроцитов (метод определения осмотической резистентности эритроцитов), устойчивости их мембран к разрушению в шипотоническом растворе.

Онкотическое давление

Часть общего осмотического давления, обусловленная белками, называется коллоидно-осмотическим (онкотическим) давлением плазмы крови. Онкотическое давление равно 25 — 30 мм рт. ст. Это составляет 2 % от общего осмотического давления.

Онкотическое давление в большей степени зависит от альбуминов (80 % онкотического давления создают альбумины), что связано с их относительно малой молекулярной массой и большим количеством молекул в плазме.

Онкотическое давление играет важную роль в регуляции водного обмена. Чем больше его величина, тем больше воды удерживается в сосудистом русле и тем меньше ее переходит в ткани и наоборот. При снижении концентрации белка в плазме вода перестает удерживаться в сосудистом русле и переходит в ткани, развиваются отеки.

Регуляция рН крови

рН– это концентрация водородных ионов, выраженная отрицательным логарифмом молярной концентрации ионов водорода. Например, рН=1 означает, что концентрация равна 10 1 моль/л; рН=7 — концентрация составляет 10 7 моль/л, или 100 нмоль. Концентрация водородных ионов существенно влияет на ферментативную деятельность, на физико-химические свойства биомолекул и надмолекулярных структур. В норме рН крови соответствует 7,36 (в артериальной крови — 7,4; в венозной крови — 7,34). Крайние пределы колебаний рН крови, совместимые с жизнью, — 7,0—7,7, или от 16 до 100 нмоль/л.

В процессе обмена веществ в организме образуется огромное количество «кислых продуктов», что должно приводить к сдвигу рН в кислую сторону. В меньшей степени в организме накапливаются в процессе метаболизма щелочи, которые могут снизить содержание водорода и сместить рН среды в щелочную сторону — алкалоз. Однако реакция крови при этих условиях практически не изменяется, что объясняется наличием буферных систем крови и нервно-рефлекторных механизмов регуляции.

Водный режим — Осмотическое давление

Осмотическое давление клеточного сока является, по мнению Walter (1926, 1931), важнейшим показателем жизнедеятельности растительного организма и его экологической приспособленности к условиям окружающей среды. Дело в том, что той или иной величине осмотического давления соответствует строго определенная степень набухания протоплазмы. В теснейшей зависимости от степени набухания плазмы находятся все основные жизненные процессы — дыхание, ассимиляция углекислоты, клеточный метаболизм, ростовые явления и т. п. Для каждого растения имеется оптимальная величина осмотического давления. Некоторые авторы (Lеvit, 1951, 1957; Lухas, 1956) считают величину осмотического давления показателем морозо- и засухоустойчивости растений. Fеrа1d (1925), Лобов (1951), Thatcher (1942) придают существенное значение осмотическому давлению клеточного сока для нормального хода физиологических процессов роста, а также устойчивости к некоторым грибам.
Нарушение оптимума осмотического давления обязательно вызывает расстройство жизненных функций; например, при увеличении осмотического показателя рост замедляется и при известной предельной концентрации клеточного сока может совершенно прекратиться. Столь же чувствительным к изменению осмотического давления оказывается и фотосинтез, который при повышении концентрации клеточного сока, вызывающем обезвоживание протоплазмы, испытывает депрессию тем большую, чем сильнее это обезвоживание.
Величина осмотического давления у одного и того же растения зависит прежде всего от условий его произрастания, причем обитателям более сухих почвенно-климатических областей свойственно большее осмотическое давление.
На возможность использования осмотического коэффициента как показателя состояния растений при орошении указывали Васильев (1935), Сказкин (1935, 1935 а), Максимов (1936), Гальченко с сотр., (1936) и др.
Walter (1931), основываясь на огромном фактическом материале, пришел к заключению, что характеризовать обеспеченность растений водой может не абсолютное содержание ее в тканях, а т. наз. „гидратура“, показывающая степень насыщенности протоплазмы водой. Именно гидратура протоплазмы обусловливает, по его мнению, интенсивность всех жизненных отправлений растений.
Гидратуру самой протоплазмы мы не в состоянии измерить. Walter предлагает судить о ней по величине осмотического показателя сока, что очень просто выполнить, используя один из методов определения осмотического давления.
Осмотическое давление клеточного сока виноградного растения до сих пор являлось предметом лишь весьма немногочисленных исследований.

Rives (1925) сообщает, что обнаружены сортовые различия в величине осмотического давления виноградного растения.
Более подробные исследования осмотического давления клеточного сока виноградного растения проводили Alleweldt и Geisler (1958). Они установили прежде всего, что величина осмотического давления клеточного сока в пластинках листьев выше, чем в черешках листьев — разница иногда достигает 2—6 at.
На разных участках листовых пластинок осмотическое давление также неодинаково — в верхушке листа оно наиболее высокое. Таким образом осмотическое давление растет с уменьшением апопластичных клеток. Аналогичное явление раньше было установлено у других растений (Beck, 1930; Ilin, 1929; Тhоеnеs, 1930; Ursprung, Blum, 1916 и др.).
Листья, находящиеся на различных участках побега, имеют неодинаковое осмотическое давление. В листьях, находящихся в основании побега, обнаружено более высокое осмотическое давление, чем в листьях в середине или верхушке побега. На основании этого авторы (Alleweldt, Geisler) делают вывод, что в листьях на побеге осмотическое давление меняется базипетально. В междоузлиях осмотическое давление всегда ниже, чем в листовых пластинках (табл. 3).

Читайте так же:
Регулировка фар по пятну

Таблица 3
Memамерные изменения осмотического давления (at) клеточного сока листьев и побегов

Осмотическое давление клеточного сока листьев винограда также подвержено значительным дневным колебаниям — 2,88—4,62 at При этом амплитуда дневных изменений осмотического давления клеточного сока вино градного растения выше, чем у других растений и древесных пород (Fеrnа1d, 1925; Fuchs, 1935; Неrriсh, 1933; Lambrecht, 1929; March, 1941). Наиболее высокого значения осмотическое давление достигает между 9 и 13 часами, причем максимум отмечается неодновременно для различных сортов. Иногда отмечается второй максимум после полудня. Наиболее низкое значение осмотического давления устанавливается в ранние часы (7—9), когда рельефнее выявляются и сортовые различия.
Изучение сезонных изменений осмотического давления показало, что в течение вегетации оно непрерывно нарастает к осени.

Темп нарастания осмотического давления листьев, однако, неодинаков для различных сортов, что дает основание авторам (Alleweldt, Geisler) разделить изучаемые сорта на три группы:

  1. сорта с большим осенним повышением осмотического давления -— Эльблинг, Португизер и F. S. 4-201-39;
  2. сорта со средним осенним повышением — Рипария G-1, д-р Декер, Кобер 5ББ, В. Лабруска, Рупестрис дю Ло, MG-101-14;
  3. сорта со слабым осенним повышением — Цинереа А, Рислинг — клон 90.

Возрастание осмотического давления к концу вегетационного периода установлено также в исследованиях Кондо и Пудриковой. Авторы делают вывод, что указанная направленность изменения рассматриваемого признака на протяжении периода вегетации присуща не только листьям, но и черешкам, и побегам, хотя у листьев она наиболее выражена. Обращают на себя внимание низкие показатели осмотического давления в листьях подвойных растений Рипария х Рупестрис 101-14 и Берландиери х Рипария Кобер 5 ББ.
Мнение о том, что американские виды и сорта обнаруживают сравнительно небольшие величины осмотического давления клеточного сока, вытекает также из работы Alleweldt и Geisler (1958).
В годичном цикле развития растений изменения осмотического давления клеточного сока побегов еще более значительны—в холодное время года оно в 4-8 раз выше, чем в первые месяцы вегетации.
На величину осмотического давления оказывают влияние и некоторые факторы внешней среды. Из них особо выделяется орошение. Средняя величина осмотического давления клеточного сока в листьях орошаемого винограда по данным Кондо равнялась в летнее время 12,5—13,5, а в листьях неорошаемого винограда — 15,5—16,5 at, т. е. на три атмосферы выше. К концу лета, в сентябре осмотическое давление как у орошаемого, так и у неорошаемого винограда увеличивалось; разница между показателями у растений сравниваемых виноградников достигала 4,5 at. Таким образом, если по общему содержанию воды в листьях неорошаемые растения мало отличались от орошаемых, то по величине осмотического давления расхождение между ними достигало 20 и даже 30%. Используя терминологию, можно сказать, что у неорошаемых растений винограда „гидратура“ снижена, листья их физиологически более сухие, чем у орошаемых растений. Существенных различий по этому показателю у отдельных сортов, однако, не установлено.
Аналогичные результаты получили также Alleweldt и Geisler (1958). У всех сортов осмотическое давление повышается под влиянием засухи, причем сортовые различия выражены довольно слабо — повышение осмотического давления находится в пределах 15—34%.
Другим фактором внешней среды, оказывающим влияние на осмотическое давление, является интенсивность освещения. Результаты исследования (А11еweldt, Geisler, 1958) в этом направлении показывают, что находящиеся на солнечном свете листья всегда имеют более высокое осмотическое давление по сравнению с листьями, находящимися в тени. Разница в ранние утренние часы небольшая (2,04 at), но затем быстро увеличивается и уже к 1030 ч. достигает 7 at. После полудня около 14 ч. вновь обнаруживается значительная разница в осмотическом давлении листьев, находящихся в условиях интенсивного освещения и в тени.

Осмотическое давление

Осмотическое давление (обозначается π) — избыточное гидростатическое давление на раствор, отделённый от чистого растворителя полупроницаемой мембраной, при котором прекращается диффузия растворителя через мембрану (осмос). Это давление стремится уравнять концентрации обоих растворов вследствие встречной диффузии молекул растворённого вещества и растворителя.

Мера градиента осмотического давления, то есть различия водного потенциала двух растворов, разделённых полупроницаемой мембраной, называется тоничностью. Раствор, имеющий более высокое осмотическое давление по сравнению с другим раствором, называется гипертоническим, имеющий более низкое — гипотоническим.

Если же подобный раствор находится в замкнутом пространстве, например, в клетке крови, то осмотическое давление может привести к разрыву клеточной мембраны. Именно по этой причине лекарства, предназначенные для внутривенного введения, растворяют в изотоническом растворе, содержащем столько хлорида натрия (поваренной соли), сколько нужно, чтобы уравновесить создаваемое клеточной жидкостью осмотическое давление. Если бы вводимые лекарственные препараты были изготовлены на воде или очень сильно разбавленном (гипотоническом по отношению к цитоплазме) растворе, осмотическое давление, заставляя воду проникать в клетки крови, приводило бы к их разрыву. Если же ввести в кровь слишком концентрированный раствор хлорида натрия (3—10 %, гипертонические растворы), то вода из клеток будет выходить наружу, и они сожмутся. В случае растительных клеток происходит отрыв протопласта от клеточной оболочки, что называется плазмолизом. Обратный же процесс, происходящий при помещении сжавшихся клеток в более разбавленный раствор, — соответственно, деплазмолизом.

Читайте так же:
Как отрегулировать сцепления зил 4331

Величина осмотического давления, создаваемая раствором, зависит от количества, а не от химической природы растворенных в нём веществ (или ионов, если молекулы вещества диссоциируют), следовательно, осмотическое давление является коллигативным свойством раствора. Чем больше концентрация вещества в растворе, тем больше создаваемое им осмотическое давление. Это правило, носящее название закона осмотического давления, выражается простой формулой, очень похожей на уравнение состояния для идеального газа:

где i — изотонический коэффициент раствора; C — молярная концентрация раствора, выраженная через комбинацию основных единиц СИ, то есть, в моль/м³; R — универсальная газовая постоянная; T — термодинамическая температура раствора.

Это показывает также схожесть свойств частиц растворённого вещества в вязкой среде растворителя с частицами идеального газа в воздухе. Правомерность этой точки зрения подтверждают опыты Ж. Б. Перрена (1906): распределение частичек эмульсии смолы гуммигута в толще воды в общем подчинялось закону Больцмана.

Осмотическое давление, которое зависит от содержания в растворе белков, называется онкотическим (0,03—0,04 атм). При длительном голодании, болезни почек концентрация белков в крови уменьшается, онкотическое давление в крови снижается и возникают онкотические отёки: вода переходит из сосудов в ткани, где πОНК больше. При гнойных процессах πОНК в очаге воспаления возрастает в 2—3 раза, так как увеличивается число частиц из-за разрушения белков.

В организме осмотическое давление должно быть постоянным (около 7,7 атм). Поэтому для внутривенного введения обычно используются изотонические растворы (растворы, осмотическое давление которых равно πплазмы ≈ 7,7 атм. (0,9 % NaCl — физиологический раствор, 5 % раствор глюкозы). Гипертонические растворы, у которых π больше, чем πплазмы, применяются в медицине для очистки ран от гноя (10 % NaCl), для удаления аллергических отёков (10 % CaCl2, 20 % глюкоза), в качестве слабительных лекарств (Na2SO4∙10H2O, MgSO4∙7H2O).

Закон осмотического давления можно использовать для расчёта молекулярной массы данного вещества (при известных дополнительных данных).

Экспериментально определенное значение осмотического давления высокомолекулярных соединений больше теоретического, определяемого по формуле Вант-Гоффа π = c R T . Это явление находит объяснение в относительной независимости теплового движения каждой части макромолекулы и описывается уравнением Галлера: [1]

то есть получена формула Вант-Гоффа ( π = c R T ).

Для возникновения осмотического давления должны выполняться два условия:

  • наличие полупроницаемой перегородки (мембраны);
  • наличие по обе стороны мембраны растворов с разной концентрацией.

Мембрана проницаема для частичек (молекул) определенного размера, поэтому она может, например, выборочно пропускать сквозь свои поры молекулы воды, не пропуская молекулы этилового спирта. Для газовой смеси — водорода и азота — роль полупроницаемой мембраны может выполнять тонкая палладиевая фольга, сквозь которую свободно диффундирует водород, тогда как азот она практически не пропускает. с помощью такой мембраны можно разделять смесь водорода и азота на отдельные компоненты.

Простыми и давно известными примерами мембран, которые проницаемы для воды и непроницаемы для многих других растворенных в воде веществ, является кожа, пергамент, и другие ткани животного и растительного происхождения.

Пфеффер с помощью осмометра, в котором в качестве полупроницаемой мембраны использовался пористый фарфор, обработанный Cu2Fe(CN)6, исследовал осмотическое давление водных растворов тростникового сахара. На основе этих измерений Вант-Гофф в 1885 году предложил эмпирическое уравнение, которому подчиняется осмотическое давление π разведенных растворов:

где c=n/V — концентрация растворенного вещества, моль/м 3 .

Это уравнение по форме совпадает с законом Бойля — Мариотта для идеальных газов. Поэтому осмотическое давление разведенных растворов можно определить как давление, которое бы создавала то же самое количество молекул растворенного вещества, если бы оно было в виде идеального газа и занимало при данной температуре объем, равный объему раствора.

Уравнение Вант-Гоффа можно несколько преобразовать, подставляя вместо концентрации c i = n i / V = m i / M i V =n_/V=m_/M_V> :

В таком виде уравнение Вант-Гоффа широко применяется для определения молярной массы растворенного вещества. Осмотический метод применяют зачастую для определения молярных масс высокомолекулярных соединений (белков, полисахаридов и других). Для этого достаточно измерить осмотическое давление раствора с известной концентрацией.

Если вещество диссоциирует в данном растворе, то осмотическое давление будет большим, чем рассчитанное и нужно вводить изотонический коэффициент:

Уравнение Вант-Гоффа справедливо только для разведенных растворов, которые подчиняются закону Рауля. При повышенных концентрациях растворов c i > в последнем уравнении должно быть заменено на активность a 1 > или фугитивность f 1 . .>

Роль осмоса в биологических системах

Явление осмоса и осмотическое давление играют огромную роль в биологических системах, которые содержат полупроницаемые перегородки в виде разных тканей, в том числе оболочек клеток. Постоянный осмос воды внутрь клеток создает избыточное гидростатическое давление, которое обеспечивает прочность и упругость тканей, которое называют тургором.

Если клетку, например, эритроцит, поместить в дистиллированную воду (или очень разбавленный раствор соли), то вода будет проникать внутрь клетки и клетка будет набухать. Процесс набухания может привести к разрыву оболочки эритроцита, если произойдет так называемый гемолиз.

Обратное явление наблюдается, если вместить клетку в концентрированный раствор соли: сквозь мембрану вода из клеток диффундирует в раствор соли. При этом протоплазма сбрасывает оболочку, клетка сморщивается, теряет тургор и стойкость, свойственные ей в нормальном состоянии. Это явление называется плазмолизом. При помещении плазмолизованных клеток в воду протоплазма опять набухает и в клетке восстанавливается тургор. Происходит при этом так называемый деплазмолиз: это можно наблюдать, помещая цветы, которые начинают вянуть, в воду. И только в изотоническом растворе, который имеет одинаковую концентрацию (вернее, одинаковое осмотическое давление с содержанием клетки), объем клетки остается неизменным.

Читайте так же:
Как отрегулировать ближний свет фар на прадо 150

Процессы усвоения еды, обмена веществ тесно связаны с разной проницаемостью тканей для воды и других растворенных в ней веществ.

Осмотическое давление отыгрывает роль механизма, который подает нутриенты клеткам; у высоких деревьев последние поднимаются на высоту нескольких десятков метров, что соответствует осмотическому давлению в несколько атмосфер. Типовые клетки, сформировавшиеся из протоплазматических мешков, наполненных водными растворами разных веществ (клеточный сок), имеют определенное значение для давления, величина которого измеряется в пределах 0,4—2 МПа.

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:

foto17007-2

  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.

foto17007-3

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 методДинамический 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 особенностьОсновные 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.

foto17007-4

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.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector