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; N_o—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 С_т:

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.