Содержание
1.Осмос
2.Осмотическое давление
3.Осмометр – прибор для измерения осмотического давления
4.Биологическая роль осмоса и осмотического давления
5.Осмотическая электростанция
6.Обратный осмос
7.Литература
Глава 1. Осмос
Осмос(греч. osmos толчок, проталкивание, давление) — самопроизвольный переходвещества, обычно растворителя, через полупроницаемую мембрану, отделяющуюраствор от чистого растворителя или от раствора меньшей концентрации.
/>
История
Впервыеосмос наблюдал Жан-Антуа Нолле в 1748, однако исследование этого явления былоначато спустя столетие.
Сутьпроцесса
Осмособусловлен стремлением системы к термодинамическому равновесию и выравниваниюконцентраций растворов по обе стороны мембраны путем односторонней диффузиимолекул растворителя.
Важнымчастным случаем осмоса является осмос через полупроницаемую мембрану.Полупроницаемыми называют мембраны, которые имеют достаточно высокуюпроницаемость не для всех, а лишь для некоторых веществ, в частности, длярастворителя. (Подвижность растворённых веществ в мембране стремится к нулю).Если такая мембрана разделяет раствор и чистый растворитель, то концентрациярастворителя в растворе оказывается менее высокой, поскольку там часть егомолекул замещена на молекулы растворенного вещества (см. Рис. 1). Вследствиеэтого, переходы частиц растворителя из отдела, содержащего чистый растворитель,в раствор будут происходить чаще, чем в противоположном направлении.Соответственно, объём раствора будет увеличиваться (а концентрацияуменьшаться), тогда как объём растворителя будет соответственно уменьшаться.
Например,к яичной скорлупе с внутренней стороны прилегает полупроницаемая мембрана: онапропускает молекулы воды и задерживает молекулы сахара. Если такой мембранойразделить растворы сахара с концентрацией 5 и 10 % соответственно, то через неев обоих направлениях будут проходить только молекулы воды. В результате в болееразбавленном растворе концентрация сахара повысится, а в болееконцентрированном, наоборот, понизится. Когда концентрация сахара в обоихрастворах станет одинаковой, наступит равновесие. Растворы, достигшиеравновесия, называются изотоническими.
Осмос,направленный внутрь ограниченного объёма жидкости, называется эндосмосом,наружу — экзосмосом. Перенос растворителя через мембрану обусловленосмотическим давлением. Оно равно избыточному внешнему давлению, котороеследует приложить со стороны раствора, чтобы прекратить процесс, то естьсоздать условия осмотического равновесия. Превышение избыточного давления надосмотическим может привести к обращению осмоса — обратной диффузиирастворителя.
Вслучаях, когда мембрана проницаема не только для растворителя, но и длянекоторых растворённых веществ, перенос последних из раствора в растворительпозволяет осуществить диализ, применяемый как способ очистки полимеров иколлоидных систем от низкомолекулярных примесей, например электролитов.
Глава2. Осмотическое давление
Осмотическоедавление (обозначается р) — избыточное гидростатическое давление на раствор,отделённый от чистого растворителя полупроницаемой мембраной, при которомпрекращается диффузия растворителя через мембрану. Это давление стремитсяуравнять концентрации обоих растворов вследствие встречной диффузии молекулрастворённого вещества и растворителя.
Раствор,имеющий более высокое осмотическое давление по сравнению с другим раствором,называется гипертоническим, имеющий более низкое — гипотоническим.
Осмотическоедавление может быть весьма значительным. В дереве, например, под действиемосмотического давления растительный сок (вода с растворёнными в нейминеральными веществами) поднимается по ксилеме от корней до самой верхушки.Одни только капиллярные явления не способны создать достаточную подъёмную силу— например, секвойям требуется доставлять раствор на высоту даже до 100 метров.При этом в дереве движение концентрированного раствора, каким являетсярастительный сок, ничем не ограничено.
Взаимодействиеэритроцитов с растворами в зависимости от их осмотического давления.
/>
Еслиже подобный раствор находится в замкнутом пространстве, например, в клеткекрови, то осмотическое давление может привести к разрыву клеточной мембраны.Именно по этой причине лекарства, предназначенные для введения в кровь,растворяют в изотоническом растворе, содержащем столько хлорида натрия(поваренной соли), сколько нужно, чтобы уравновесить создаваемое клеточнойжидкостью осмотическое давление. Если бы вводимые лекарственные препараты былиизготовлены на воде или очень сильно разбавленном (гипотоническом по отношениюк цитоплазме) растворе, осмотическое давление, заставляя воду проникать вклетки крови, приводило бы к их разрыву. Если же ввести в кровь слишкомконцентрированный раствор хлорида натрия (3-5-10 %, гипертонические растворы),то вода из клеток будет выходить наружу, и они сожмутся. В случае растительныхклеток происходит отрыв протопласта от клеточной оболочки, что называетсяплазмолизом. Обратный же процесс, происходящий при помещении сжавшихся клеток вболее разбавленный раствор, — соответственно, деплазмолизом.
Величинаосмотического давления, создаваемая раствором, зависит от количества, а не отхимической природы растворенных в нём веществ (или ионов, если молекулывещества диссоциируют), следовательно, осмотическое давление являетсяколлигативным свойством раствора. Чем больше концентрация вещества в растворе,тем больше создаваемое им осмотическое давление. Это правило, носящее названиезакона осмотического давления, выражается простой формулой, очень похожей нанекий закон идеального газа:
p=i C RT
гдеi — изотонический коэффициент раствора; C — молярная концентрация раствора,выраженная через комбинацию основных единиц СИ, то есть, в моль/м3, а не впривычных моль/л; R — универсальная газовая постоянная; T — термодинамическаятемпература раствора.
Этопоказывает также схожесть свойств частиц растворённого вещества в вязкой средерастворителя с частицами идеального газа в воздухе. Правомерность этой точкизрения подтверждают опыты Ж. Б. Перрена (1906): распределение частичек эмульсиисмолы гуммигута в толще воды в общем подчинялось закону Больцмана.
Осмотическоедавление, которое зависит от содержания в растворе белков, называетсяонкотическим (0,03 — 0,04 атм.). При длительном голодании, болезни почекконцентрация белков в крови уменьшается, онкотическое давление в кровиснижается и возникают онкотические отёки: вода переходит из сосудов в ткани,где рОНК больше. При гнойных процессах рОНК в очаге воспаления возрастает в 2-3раза, так как увеличивается число частиц из-за разрушения белков. В организмеосмотическое давление должно быть постоянным ( 7,7 атм.). Поэтому пациентамвводят изотонические растворы (растворы, осмотическое давление которых равно рплазмы 7,7 атм. — 0,9 % NaCl — физиологический раствор, 5 % раствор глюкозы).Гипертонические растворы, у которых р больше, чем осмотическое давление плазмы,применяются в медицине для очистки ран от гноя (10 % NaCl), для удаленияаллергических отёков (10 % CaCl2, 20 % глюкоза), в качестве слабительныхлекарств (Na2SO4•10H2O, MgSO4•7H2O).
Законосмотического давления можно использовать для расчёта молекулярной массыданного вещества (при известных дополнительных данных).
Осмотическоедавление измеряют специальным прибором
Глава3. Осмометр – прибор для измерения осмотического давления
Осмометр — (осмо- + греч. metreo измерять) прибор для измерения осмотического давления иликонцентрации осмотически активных веществ; применяется при биофизических ибиохимических исследованиях.
/>
Принципиальная схемаосмометра: А — камера для раствора; Б — камера для растворителя; М — мембрана.Уровни жидкости в трубках при осмотическом равновесии: а и б — в условияхравенства внешних давлений в камерах А и Б, когда rА = rБ, при этом Н — столбжидкости, уравновешивающий осмотическое давление; б — в условиях неравенствавнешних давлений, когда rА — rБ = p.
Осмометрыдавления пара
Этот типприборов отличается тем, что для измерения требуется минимальный объем пробы(единицы микролитров), что имеет большое значение, когда из объектаисследования нельзя взять больший объем. Однако по причине малости объема пробыосмометры давления пара имеют большую погрешность по сравнению с другими. Крометого, результат измерения зависит от изменения атмосферного давления. Основноеприменение эти приборы нашли в научных исследованиях и педиатрической практикедля исследований крови новорожденных, взятой из пальчика или пяточки. Диапазонизмеряемых концентраций ограничивается 2000 ммоль/кг Н2О. В российских ЛПУ онине нашли широкого применения. В Европейском союзе осмометры давления парапроизводит фирма Dr .Knauer, Gonotec (Германия), в США — фирма Wescor .Мембранныеосмометры
На свойствеосмоса строятся осмометры, называемые мембранными. В их конструкции могутиспользоваться как искусственные мембраны (например, целлофан), так и природные(например, кожа лягушки).
Приборы этоготипа используются для измерения так называемого коллоидно-осмотическогодавления крови (КОД), которое создается высокомолекулярной (более 30000 Д) составляющейобщей концентрации осмотически активных частиц, содержащихся в плазме крови.Это давление называется также онкотическим и создается преимущественно белками.КОД составляет менее 3 ммоль/кг Н2О и поэтому незначительно влияет на общееосмотическое давление, но имеет определяющее значение для процессовтранскапиллярного обмена. Эта составляющая общего давления имеет важноедиагностическое значение. Мембранные осмометры производят фирмы Dr. Knauer, Gonotec, Германия (Osmomat 050), в США — фирма Wescor.Интересно, что фирма доктора Кнауэра предлагает всю линейку осмометров,перекрывая, таким образом, весь диапазон частиц с молекулярной массой, включаямиллионные.
Приборы этоготипа в России не производятся.
Осмометры поточке замерзания (криоскопические)
Осмометры,принцип действия которых основан на измерении понижения (депрессии) температурызамерзания раствора в сравнении с температурой замерзания растворителя (в нашемслучае воды), нашли наибольшее распространение по причине наилучшей пригодностиэтой методики для лабораторной клинической диагностики нарушений водного иэлектролитного баланса (молекулярные массы частиц биологических жидкостей непревышают 30000 Д).
Глава4. Биологическая роль осмоса и осмотического давления
осмос давление раствор
Осмосиграет важную роль во многих биологических процессах. Мембрана, окружающаянормальную клетку крови, проницаема лишь для молекул воды, кислорода, некоторыхиз растворенных в крови питательных веществ и продуктов клеточнойжизнедеятельности; для больших белковых молекул, находящихся в растворенномсостоянии внутри клетки, она непроницаема. Поэтому белки, столь важные длябиологических процессов, остаются внутри клетки.
Осмосучаствует в переносе питательных веществ в стволах высоких деревьев, где капиллярныйперенос не способен выполнить эту функцию.
Осмосшироко используют в лабораторной технике: при определении молярныххарактеристик полимеров, концентрировании растворов, исследовании разнообразныхбиологических структур. Осмотические явления иногда используются впромышленности, например при получении некоторых полимерных материалов, очисткевысоко-минерализованной воды методом «обратного» осмоса жидкостей.
Клеткирастений используют осмос также для увеличения объёма вакуоли, чтобы онараспирала стенки клетки (тургорное давление). Клетки растений делают это путёмзапасания сахарозы. Увеличивая или уменьшая концентрацию сахарозы в цитоплазме,клетки могут регулировать осмос. За счёт этого повышается упругость растения вцелом. С изменениями тургорного давления связаны многие движения растений(например, движения усов гороха и других лазающих растений). Пресноводныепростейшие также имеют вакуоль, но задача вакуолей простейших заключается лишьв откачивании лишней воды из цитоплазмы для поддержания постоянной концентрациирастворённых в ней веществ.
Осмостакже играет большую роль в экологии водоёмов. Если концентрация соли и другихвеществ в воде поднимется или упадёт, то обитатели этих вод погибнут из-запагубного воздействия осмоса.
Глава5. Осмотическая электростанция
/>
24ноября 2009 г. государственная энергетическая компания Statkraft (Норвегия)представила первый в мире солевой генератор, который вырабатывает энергию засчет смешивания морской и пресной воды. Прототип осмотической электростанциибудет испытываться на старой бумажной фабрике в 60 км к югу от столицы НорвегииОсло. Стоимость проекта составляет 20 млн долл., мощность электростанции – 5кВт. Предположительно, первая коммерческая осмотическая электростанция появитсяуже через несколько лет.
Принципдействия соляной электростанции основан на явлении, известном как осмос:молекулы воды переходят из отсека с пресной водой в отсек с с морской водой,стремясь выровнить концентрацию соли по обе стороны полупроницаемой мембраны; приэтом увеличивается объем воды в отсеке с морской водой и создается избыточноедавление, которое заставляет генератор вырабатывать электричество.
Глава6. Обратный осмос
Процессобратного осмоса, как способ очистки воды, используется с начала 60-х годов.Первоначально он применялся для опреснения морской воды. Сегодня по принципуобратного осмоса в мире производятся сотни тысяч тонн питьевой воды в сутки.
Совершенствованиетехнологии сделало возможным применение обратноосмотических систем в домашнихусловиях. На настоящий момент в мире уже установлены тысячи таких систем.Получаемая обратным осмосом вода имеет уникальную степень очистки. По своимсвойствам она близка к талой воде древних ледников, которая признается наиболееэкологически чистой и полезной для человека.
Вслучае, когда на раствор с большей концентрацией воздействует внешнее давление,превышающее осмотическое, молекулы воды начнут двигаться через полупроницаемуюмембрану в обратном направлении, то есть из более концентрированного раствора вменее концентрированный.
/>
Этотпроцесс называется «обратным осмосом». По этому принципу и работаютвсе мембраны обратного осмоса.
Впроцессе обратного осмоса вода и растворенные в ней вещества разделяются намолекулярном уровне, при этом с одной стороны мембраны накапливаетсяпрактически идеально чистая вода, а все загрязнения остаются по другую еесторону. Таким образом, обратный осмос обеспечивает гораздо более высокуюстепень очистки, чем большинство традиционных методов фильтрации, основанных нафильтрации механических частиц и адсорбции ряда веществ с помощьюактивированного угля.
Применение
Всистемах обратного осмоса бытового назначения давление входной воды на мембранусоответствует давлению воды в трубопроводе. В случае, если давление возрастает,поток воды через мембрану также возрастает.
Напрактике, мембрана не полностью задерживает растворенные в воде вещества. Онипроникают через мембрану, но в ничтожно малых количествах. Поэтому очищеннаявода все-таки содержит незначительное количество растворенных веществ. Важно,что повышение давления на входе не приводит к росту содержания солей в водепосле мембраны. Наоборот, большее давление воды не только увеличиваетпроизводительность мембраны, но и улучшает качество очистки. Другими словами,чем выше давление воды на мембране, тем больше чистой воды лучшего качестваможно получить.
Впроцессе очищения воды концентрация солей со стороны входа возрастает, из-зачего мембрана может засориться и перестать работать. Для предотвращения этоговдоль мембраны создается принудительный поток воды, смывающий«рассол» в дренаж.
Эффективностьпроцесса обратного осмоса в отношении различных примесей и растворенных веществзависит от ряда факторов. Давление, температура, уровень рН, материал, изкоторого изготовлена мембрана, и химический состав входной воды, влияют наэффективность работы систем обратного осмоса.
Неорганическиевещества очень хорошо отделяются обратноосмотической мембраной. В зависимостиот типа применяемой мембраны (ацетатцеллюлозная или тонкопленочная композитная)степень очистки составляет по большинству неорганических элементов 85%-98%.
Мембранаобратного осмоса также удаляет из воды иорганические вещества. Органические вещества с молекулярным весом более100-200 удаляются полностью; а с меньшим — могут проникать через мембрану внезначительных количествах. Большой размер вирусов и бактерий практическиисключает вероятность их проникновения через мембрану.
Вто же время, мембрана пропускает растворенные в воде кислород и другие газы,определяющие ее вкус. В результате, на выходе системы обратного осмосаполучается свежая, вкусная, настолько чистая вода, что она, строго говоря, дажене требует кипячения.
Литература
Горшков В. И., Кузнецов И. А.,Физическая химия, М., 1986; Дуров В. А., Агеев Е.П., Термодинамическая теориярастворов неэлектролитов, М., 1987. См. также лит. при ст. Мембранные процессыразделения.
Л. А. Шиц «Большая советскаяэнциклопедия»
Д. Коновалов «Энциклопедическийсловарь Брокгауза и Ефрона»