Осмос, осмотичний тиск, молярна концентрація

Осмосом називають спонтанне рух розчинника через мембрану, проникну для розчинника і непроникну для розчинених речовин (напівпроникну мембрану) з менш концентрованого розчину в більш концентрований.

У всіх розглянутих нами випадках в якості розчинника буде виступати вода. Таким чином, вода рухається звідти, де її більше (менш концентрований розчин) туди, де її менше (більш концентрований розчин). Осмотические процеси відбуваються при наявності напівпроникною мембрани, що пропускає тільки розчинник - воду. Напівпроникливості мембран обумовлена ​​наявністю в ній пір з певними властивостями і розмірами, завдяки чому молекули з одними властивостями і розмірами через неї проникають, а з іншими - не проникають. При цьому важливі не тільки розміри молекул, але їх фізико-хімічні властивості, тому можливо, що більш великі молекули пройдуть через мембрану, а більш дрібні - не пройдуть. Оскільки практично всі мембрани організму - напівпроникні, осмотичні процеси в ньому визначають всю його життєдіяльність.

Мал. 2. Осмос. Пояснення в тексті

Для ілюстрації осмосу опишемо нескладний експеримент (рис. 2). Візьмемо посудину з дистильованою водою і розділимо його напівпроникною мембраною на 2 рівні частини. Природно, це не викличе ніяких нових явищ в посудині, так як по обидва боки мембрани є тільки розчинник. Розчинний в який-небудь частини посудини яку-небудь речовину (нехай для визначеності це буде NaCl в фізіологічної концентрації - ≈ 0,9%). По обидва боки мембрани виникне градієнт концентрацій наявних в посудині речовин: води і NaCl. Природно припустити, що має розпочатися спонтанне перемішування речовин, яке призведе до вирівнювання концентрацій в обох половинах судини. Однак напівпроникна мембрана не пропускає розчинена речовина, і воно не зможе рухатися з місця з більшою концентрацією туди, де його концентрація менше (в нашому випадку - нульова). Тому рухатися зможе тільки вода - з місця, де її більше (100% концентрація), в місце, де її менше (≈ 99,1%). Доки ж буде відбуватися цей процес? Експеримент незаперечно свідчить, що в кінці кінців рух води припиниться, і нам потрібно розібратися, чому. Для цього проведемо наступні міркування.

Оскільки вода рухається, повинна існувати якась сила, що змушує її рухатися. Коли ж рух припиняється, це означає, що з'являється інша, рівна по величині і зворотна по напрямку, сила, що перешкоджає продовженню руху. Що ж це за сила? Звернемося до рис. 3.

Мал. 3. Осмос. Пояснення в тексті

В процесі переміщення розчинника рівень рідини в лівій частині малюнка знижується, а в правій - настільки ж підвищується. Це призводить до появи різниці гідростатичних тисків в обох половинах судини, що дорівнює # 961; gh, де h - різниця висот стовпів рідини в обох частинах судини. Коли h досягне величини, що забезпечує тиск, однакову і протилежно спрямоване тиску сили, рушійною розчинник через мембрану, його рух припиниться. Величина цього тиску дорівнює осмотичного тиску розчину, що знаходиться в правій половині судини. Якби ми захотіли одразу перешкодити переміщенню розчинника через мембрану, нам було б необхідно прикласти до розчину (права половина посудини) тиск, що дорівнює осмотичного тиску розчину (рис. 4).

Осмотичний тиск розчину дорівнює тиску, який необхідно прикласти до розчину, щоб перешкодити переміщенню в нього чистого розчинника.

Осмотичний тиск можна визначити і так:

це тиск, під яким розчинник проникає в розчин через напівпроникну мембрану.

Природно, осмотичний тиск виявляється тільки при наявності мембрани, проникною лише для розчинника.

Як і будь-який тиск, осмотичний тиск можна вимірювати в атмосферах. мм рт. ст. паскалях. мм вод. ст. і т.п. Однак не завжди ці одиниці зручні. Так, осмотичний тиск крові, виражене в атмосферах, становить в середньому 6,62 атм. (Природно, за законом Ізоосмолярна, такий же тиск буде і в інших секторах організму). Тому для вираження осмотичного тиску була обрана інша одиниця виміру. Перед тим, як з нею познайомитися, опишемо ще один експеримент.

Мал. 4. Осмос. Пояснення в тексті

Візьмемо знову наш посуд, розділений навпіл напівпроникною мембраною, в одній частині якого залишився наш фізіологічний розчин NaCl, і розчинний в іншій його частині, наприклад, глюкозу до 5,5% (точніше - до 5,544%) концентрації (рис. 5).

Незважаючи на відмінність концентрацій речовин по обидві сторони мембрани, руху розчинника (води) не спостерігається, про що незаперечно свідчить експеримент [1]. Відсутність руху розчинника означає, що осмотичні тиску розчинів по обидва боки мембрани рівні, хоча їх масові концентрації і, отже, щільності, різні. Значить, такий спосіб вираження концентрації (як і об'ємні відсотки) не відображає осмотичного тиску розчину.

Вже давно різні фізико-хімічні дослідження розчинів довели, що осмотичний тиск залежить виключно від кількості розчинених часток (молекул, іонів) і не залежить від їх властивостей (розмірів, маси, електричного заряду і т.п.). Значить, нам потрібна одиниця, що відображає кількість частинок. Такою одиницею є моль. 1 моль будь-якої речовини має масу, виражену в грамах, чисельно рівну молекулярній масі речовини, яку можна дізнатися, зазирнувши в таблицю Менделєєва. Наприклад, 1 моль вуглецю має масу 12 г, заліза - 56 г, кисню - 32 г (16 + 16, так як молекула O2 складається з двох атомів). Чим важче частка (молекула), тим важче 1 моль речовини, складеного з цих частинок (молекул). Але саме чудове в цій одиниці то, що 1 моль будь-якої речовини містить однакову кількість молекул, що дорівнює ≈ 6,02 # 8729, 10 23 (число Авогадро). Звідси ясно, що оскільки осмотичний тиск розчину залежить від кількості розчинених частинок, а це кількість можна виразити кількістю молей речовини, осмотичний тиск можна (і це зручно!) Висловлювати молярної концентрацією розчину (осмолярностью).

Мал. 5. Осмос. Пояснення в тексті

Осмотичний тиск крові, виражене в одиницях молярної концентрації, становить 300 ммоль / л з коливаннями від 285 до 310 ммоль / л. Ця величина має надзвичайно важливе значення, і організм прагне її підтримувати в цих досить вузьких межах. Стану, при яких осмолярність знижується, ми будемо називати Гіпоосмолярна, а при яких підвищується - гіперосмолярними. Осмолярность, як і безліч інших показників, повинна бути об'єктом пильної уваги під час інтенсивного спостереження. Її можна вимірювати безпосередньо осмометром, а можна оцінити розрахунковим методом.

Принцип роботи осмометрі заснований на наступному фізичному факті. Кількість розчинених частинок однозначно визначає не тільки осмотичнийтиск, але і температуру замерзання і кипіння розчину. Чим вище осмолярність, тим нижче температура замерзання і вище температура кипіння розчину. Осмометр вимірює температуру замерзання біологічної рідини, що є водним розчином. Ця температура завжди буде менше 0 ° C. Кожній температурі замерзання однозначно відповідає певна молярна концентрація розчину, тобто його осмотичний тиск (незалежно від якісного складу розчину).

Про те, як оцінюється осмолярність за допомогою розрахункового методу, познайомимося в наступному розділі.