Диффузия и осмос в растворах. Законы осмотического давления и его биологическое значение.
Как известно, в смесях газов и в растворах частицы равномерно распределяются по всему объему. Например, если на концентрированный раствор сахара осторожно налить слой чистой воды, то молекулы сахара, совершая хаотическое тепловое движение, постепенно равномерно распределяются по всему объему жидкости. Одновременно в молекулы воды проникают в раствор сахара, разбавляя его. Оба эти процесса идут самопроизвольно и до тех пор, пока не произойдет полное выравнивание концентрации сахара во всем объеме раствора. Самопроизвольный процесс переноса вещества, в результате которого устанавливается равновесное распределение концентраций вследствие беспорядочного теплового движения молекул, атомов, ионов в газах, жидкостях или твердых телах, называется диффузией. Диффузия имеет место и при смешивании растворов различных концентраций, а также в твердых телах и газах. Причем скорость ее в газах наибольшая, а в твердых телах наименьшая.
Как правило, диффузия частиц совершается из области большей их концентрации в область меньшей концентрации, т. е. количество частиц растворенного вещества, проходящих в единицу времени в сторону меньшей концентрации, больше, чем в обратном направлении.
Диффузия может быть выражена количественно. Представим себе, что на некотором расстоянии x1от дна сосуда концентрация растворенного вещества (например, сахара) равна С1, а на расстоянии х2эта концентрация равна С2.По условию С1больше С2, а х2больше х1, т. е. раствор является более концентрированным у дна сосуда. В нашем случае градиент концентрации, т. е. изменение концентрации, приходящееся на единицу расстояния, равен (С2 –С1):(х2 –х1).
Знак минус в этом уравнении вызван тем, что С1> С2.
На основании закона Фика количество растворенного вещества т, которое проходит за время tчерез воображаемую площадь поперечного сечения сосуда S, находящуюся посередине между концентрациями С1 и С2, будет равно:
4.2 |
где D — коэффициент диффузии, численно равный количеству вещества, диффундирующего за единицу времени через 1 м2 поверхности раздела при градиенте концентрации, равном 1. Для коэффициента диффузии Эйнштейн вывел следующее уравнение:
D = RT/N0 · 1/ 6πηr
где R — универсальная газовая постоянная; Т — термодинамическая температура; No—постоянная Авогадро; η— вязкость растворителя;
r — радиус диффундирующих частиц.
Явление диффузии играет чрезвычайно важную роль в жизнедеятельности организмов, в процессах перемещения питательных веществ и продуктов обмена в тканевых жидкостях. В живых организмах диффузия тесно связана с другими биологическими явлениями. Скорости многих физико-химических процессов в организме зависят в конечном счете от скорости диффузии, т.е. от скорости «доставки сырья» для этих реакций. В свою очередь диффузия в живых организмах регулируется функциональным состоянием тканей и зависит от их физико-химического строения.
Диффузия может проходить также, если на границе раствора и чистого растворителя (или двух растворов различной концентрации) поместить полупроницаемую перегородку — мембрану. Полупроницаемые перегородки способны пропускать только молекулы растворителя и не пропускают молекулы растворенного вещества. Свойствам полупроницаемости обладают многие природные пленки (стенки клеток живых и растительных организмов, стенки кишечника, протоплазма и др.), а также пленки искусственного происхождения (целлофан, пергамент, пленки из коллодия, желатины). Односторонняя самопроизвольная диффузия молекул растворителя через полупроницаемую мембрану в раствор или из раствора с низкой концентрацией в раствор с высокой концентрацией называется осмосом.
Процесс осмоса очень сложен и природа его в настоящее время еще недостаточно выяснена. Осмос можно наблюдать в специальных приборах, которые называются осмометрами. Простейшая схема осмометра приведена на рис. 4.2. Основной его деталью является осмометрическая ячейка 1, отделенная от сосуда 2 с чистым растворителем полупроницаемой мембраной, пропускающей только молекулы растворителя, но не растворенного вещества. Ячейку с концентрированным раствором погружают в сосуд с растворителем—менее концентрированным раствором. Спустя некоторое время отмечается значительное повышение уровня жидкости в трубке.
Гидростатическое давление, которое надо приложить к раствору, чтобы задержать осмос, называют осмотическим давлением. Осмотическое давление растворов обычно измеряют или рассчитывают по отношению к чистому растворителю. Измеряется осмотическое давление в Паскалях (Па) или в ньютонах на квадратный метр (Н/м2).
Осмотическое давление обусловлено понижением химического потенциала растворителя в присутствии растворенного вещества. Тенденция системы выровнять химические потенциалы во всех частях своего объема и перейти в состояние с более низким уровнем свободной энергии вызывает осмотический (диффузионный) перенос вещества. Осмотическое давление в идеальных и предельно разбавленных растворах не зависит от природы растворителя и растворенных веществ. При постоянной температуре оно определяется только числом «кинетических элементов»— ионов, молекул, ассоциатов или коллоидных частиц в единице объема раствора.
Как показали исследования, осмотическое давление зависит в первую очередь от концентрации раствора и может достигать значительных величин. Так, раствор сахара 40 г/л при комнатной температуре имеет осмотическое давление около 0,3 МПа, а 530 г/л — около 10 МПа; осмотическое давление морской воды — около 0,27 МП а, рассолы самоосадочных озер — более 20 МПа.
Результаты измерения осмотического давления растворов различной концентрации тростникового сахара и некоторых других веществ, полученные в свое время Пфеффером и де Фризом, позволили Вант-Гоффу (1887) установить законы осмотического давления, применив для обобщения результатов измерений осмотического давления законы термодинамики и молекулярно-кинетическую теорию газов. Вант-Гофф установил, что осмотическое давление сильно разбавленных растворов подчиняется законам идеальных газов. Он показал, что при постоянной температуре осмотическое давление прямо пропорционально концентрации или обратно пропорционально молярному объему растворенного вещества (аналогия с законом Бойля):
При данной концентрации растворенного вещества осмотическое давление пропорционально термодинамической температуре — аналогия с законом Гей-Люссака:
При одинаковой температуре и одинаковой концентрации различные вещества имеют одно и то же осмотическое давление (аналогия с законом Авогадро). Объединив эти законы, получим уравнение состояния для осмотического давления (уравнение Вант-Гоффа):
4.3 |
которое по форме совпадает с уравнением Клапейрона — Менделеева. В этом уравнении р— осмотическое давление раствора, т— число молей растворенного вещества,
С = m/V — молярная концентрация растворенного вещества, Т — термодинамическая температура, R — универсальная постоянная, не зависящая от вида растворителя и численно равная газовой постоянной [8,31 Н·м· (моль·К)–1].
Точные измерения осмотического давления растворов показали, что чем ниже концентрация С, тем точнее соблюдается уравнение Вант-Гоффа. Это уравнение для большинства растворов соблюдается при концентрациях не выше 1 · 10-2 кмоль/м3. При более высоких концентрациях отклонения от закона Вант-Гоффа легче учитывать, если вместо объемно-молярной концентрации С употреблять моляльную Ст:
4.4 |
где m1 — масса растворенного вещества; т2 — масса растворителя.
Объединенный закон Вант-Гоффа имеет следующую формулировку: осмотическое давление разбавленного раствора равно тому газовому давлению, которое производило бы растворенное вещество, если бы оно в виде газа при той же температуре занимало тот же объем, что и раствор.
Таким образом, для осмотического давления в истинных растворах низкомолекулярных веществ имеет значение только число растворенных частиц, но не их масса, размеры или форма.
Осмос имеет большое значение в процессах жизнедеятельности животных и растений. Он обусловливает поднятие воды по стеблю растения, рост клетки и многие другие явления. Осмотическое давление в клетках обусловливает их своеобразную упругость и эластичность, а также способствует сохранению определенной формы стеблями и листьями растений. Каждая живая клетка имеет либо оболочку, либо поверхностный слой протоплазмы, обладающие свойством полупроницаемости. Если клетку поместить в раствор, концентрация которого равна концентрации клеточного сока, то состояние клетки не изменится, так как осмотическое давление в клетке и в растворе одинаково.
Растворы, обладающие при одинаковых условиях одинаковым осмотическим давлением, получили название изотонических.
В крепких солевых растворах клетка сморщивается (плазмолиз), что обусловлено потерей воды в более концентрированный внешний раствор, так как осмотическое давление внешнего раствора выше, чем внутри клетки. Такой раствор называется гипертническим. В растворе, концентрация которого ниже концентрации клеточного сока, клетка всасывает воду, что объясняется более низким, чем в клетке, осмотическим давлением раствора. Такие растворы получили название гипотонических.
Кровь, лимфа, а также любые тканевые жидкости человека и животных представляют собой водные растворы молекул и ионов многих веществ — органических и минеральных. Эти растворы обладают определенным осмотическим давлением. Например, осмотическое давление крови равно 0,8 МПа. Такое же давление имеет 0,9%-ный раствор хлорида натрия, который является по отношению к крови изотоничным.
При медицинском введении в кровь физиологических растворов последние должны быть строго изотоничны с раствором крови. Физиологические растворы широко применяют в хирургии в качестве кровозаменителей.
Представление об изотоничных растворах позволяет понять, почему морская рыба не может жить в речной воде, а речная — в морской. Становится также понятной и причина, по которой растения пустыни не могут произрастать на влажной почве, а полевые растения — на сильно засоленных почвах.
Организм человека обладает способностью поддерживать осмотическое давление на постоянном уровне. При изменении осмотического давления организм стремится восстановить его. Так, если с пищей вводится в организм большое количество растворимых веществ (соль, сахар и др.), то осмотическое давление изменяется и организм сейчас же реагирует на это, стремясь как можно скорее восстановить нормальное осмотическое давление (изменяется количество и состав слюны, пота, мочи и количество выделяемых паров). Все эти процессы в организме регулируются нервной системой и железами внутренней секреции.
При патологических явлениях в тканях организма могут происходить значительные колебания осмотического давления. Так, в очаге воспаления осмотическое давление тканевого сока у человека может в два-три раза превысить норму.
С осмотическим давлением, как уже отмечалось, тесно связана солеустойчивость культурных растений. До сравнительно недавнего времени считали, что солеустойчивость растений определяется только их способностью повышать сосущие силы клеток до превышения осмотического давления почвенного раствора. При этом механизм действия солей сводился к частному обезвоживанию клеток вследствие недостаточной водообеспеченности растений, произрастающих на засоленных почвах.
Однако объяснять угнетение растений только с точки зрения осмотической теории не совсем правильно. Более детальные исследования показали, что рост и развитие культурных растений обусловлены не только величиной осмотического давления почвенного раствора, но и специфическим физиологическим действием отдельных ионов, входящих в состав почвенного раствора.
Дата добавления: 2016-02-20; просмотров: 3737;