Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Волгоградский государственный медицинский университет Министерства Здравоохранения Российской Федерации.

Кафедра химии

Реферативная работа на тему:

«Коллигативные свойства растворов. Осмос и диффузия в растительной клетке»

Проверила: Складановская Наталия Николаевна

Подготовила:

студентка 2 курса

Игнатенко А.А

Фармацевтический факультет

202 группы

Волгоград 2015г

1.Введение

2. Коллигативные свойства.

3.Поступление воды в растительную клетку.

4. Диффузия.

6. Роль осмоса и осмотического давления в клетке.

7. Заключение.

8.Список литературы.

Введение

К коллигативным свойствам растворов, т.е. свойствам, зависящим от количества частиц, относятся осмотическое давление, диффузия, понижение температуры замерзания и повышение температуры кипения растворов по сравнению с чистым растворителем. Осмотическое давление обеспечивает упругость и эластичность тканей. Коллигативные свойства физиологических, гипертонических и гипотонических растворов связаны с их клиническими свойствами.

Осмос имеет большое значение в жизнедеятельности человека, животных и растительных организмов. Как известно, все биологические ткани состоят из клеток, внутри которых находится жидкость (цитоплазма), представляющая собой раствор различных веществ в Н2О. Оболочка клетки полупроницаема и через нее достаточно свободно проходит вода.

Снаружи клетки омываются межклеточной жидкостью, тоже представляющей собой водный раствор. Причем концентрация растворенных веществ внутри клеток больше чем в межклеточной жидкости. Вследствие осмоса наблюдается переход растворителя из внешней среды в клетку, что вызывает ее частичное набухание или тургор. При этом клетка приобретает соответствующую упругость и эластичность. Тургор способствует сохранению определенной формы органов у животных организмов, стеблей и листьев у растений. В срезанных растениях в результате испарения воды объем меж- и внутриклеточной жидкости уменьшается, снижается осмотическое давление, упругость клеток понижается и растение вянет. Увлажнение растений, помещение их в воду вызывает осмос и снова сообщает тканям упругость.

Коллигативные свойства.

Коллигативными свойствами называют растворы обладают рядом свойств, которые обусловлены общими причинами и определяются только концентрацией растворенного вещества, т.е., числом его частиц, молекул в системе, но не зависят от их массы, формы, размеров.

Такими свойствами являются:

Осмотическое давление,

Понижение давления насыщенного пара растворителя над раствором,

Повышение температуры кипения и понижение температуры замерзания раствора.

У растворов разных по своей природе веществ, но содержащих одно и то же число кинетически активных частиц растворенного вещества данные свойства будут одинаковые.

Это явление присуще разбавленным растворам нелетучих низкомолекулярных веществ, т.е., растворам, которые по своим характеристикам наиболее сильно приближаются к идеальным.

Поступление воды в растительную клетку.

Для осуществления всех процессов жизнедеятельности в клетку из внешней среды должны поступать вода и питательные вещества. Вода прямо или косвенно участвует во всех реакциях обмена и является важнейшей составной частью растительной клетки. Но помимо поступления воды в клетку может осуществляться и обратный процесс – выход воды из клетки. Эти явления объясняются процессами диффузии и осмоса.

Как известно, при температуре выше абсолютного нуля все молекулы находятся в постоянном беспорядочном движении. Это показывает, что они обладают определенной кинетической энергией. Благодаря постоянному движению при смешении двух жидкостей или двух газов их молекулы равномерно распределяются по всему доступному объему.

Диффузия.

Диффузия - это процесс, ведущий к равномерному распределению молекул растворенного вещества и растворителя. Как всякое движение, диффузия требует энергии. Диффузия всегда направлена от большей концентрации данного вещества к меньшей, от системы, обладающей большей свободной энергией к системе с меньшей свободной энергией.

Свободной энергией называется часть внутренней энергии системы, которая может быть превращена в работу. Свободная энергия, отнесенная к 1 молю вещества, носит название химического потенциала. А как известно химический потенциал можно определить как изменение любого вида энергии, сопровождающее изменение количества вещества в системе.

μi = (∂U/∂ni)S,V,nj = (∂H/∂ni)S,p,nj = (∂F/∂ni)T,V,nj = (∂G/∂ni)T,p,nj

где ni- число молей

индекс j ≠ i – постоянное количество всех dni компонентов, кроме ni.

Таким образом, химический потенциал - это мера энергии, которую данное вещество использует на реакции или движение. Химический потенциал - функция концентрации. Чем выше концентрация данного вещества, тем выше его активность и его химический потенциал.

Диффузионное передвижение вещества всегда идет от большего к меньшему химическому потенциалу. Так как химический потенциал характеризует способность рассматриваемого компонента к выходу из данной фазы или к выходу из данного состояния при химическом взаимодействии. В многофазных (гетерогенных) системах переход данного компонента может происходить самопроизвольно только из фазы, где его химический потенциал больше, в фазу, в которой его химический потенциал меньше. Поэтому переход сопровождается уменьшением химического потенциала компонента в 1-й фазе и увеличением во 2-й. В результате, разность между химическими потенциалами данного компонента в этих двух фазах уменьшается и при достижении равновесия химический компонента становится одинаковым в обеих фазах. В любой равновесной гетерогенной системе химический потенциал каждого компонента одинаков во всех фазах. Значит,в неравновесных системах любой компонент будет стремиться из состояния с более высоким химическим потенциалом в состояние с более низким потенциалом до тех пор, пока не установится равновесие.

Разность величин μ определяет направление химических реакций, фазовых превращений, диффузии веществ из одной фазы в другую. Добавление к воде молекул растворенного вещества приводит к возникновению связи между молекулами воды и растворенного вещества, что уменьшает ее активность, ее свободную энергию, ее химический потенциал. В том случае, если диффундирующие вещества встречают на своем пути мембрану, движение замедляется, а в некоторых случаях прекращается.

Скорость диффузии зависит от температуры, природы вещества, разности концентраций. Чем выше концентрация данного вещества, тем выше его активность и его химический потенциал.

Диффузия воды по направлению от большего к меньшему химическому потенциалу через мембрану носит название осмоса. Иначе говоря, осмос - это диффузия воды или другого растворителя через полупроницаемую перепонку, вызванная разностью концентраций или разностью химических потенциалов.

Осмос.

Осмос - результат неравенства химических потенциалов воды по разные стороны мембраны. Идеальная полупроницаемая мембрана пропускает молекулы воды и не пропускает молекулы растворенного вещества.

Одним из выдающихся ученых работавших в данной области был Вильгельм Пфеффер – немецкий ботаник и физиолог растений. Родился в Гребенштейне, близ Касселя. Изучал химию и фармацевтику в Гёттингенском университете (1863-1865). Основные работы посвящены физиологии растений. Изучал осмотические явления в растительных клетках, обусловливающие поглощение растениями воды и минеральных веществ. В эти работы Пфеффера заложены основы мембранной теории клеточной проницаемости. С помощью сконструированного им осмометра с полупроницаемой перегородкой из железосинеродистой меди (ячейка Пфеффера) установил (1877) зависимость осмотического давления от концентрации раствора, температуры и размера молекул, обобщённые Я. Г. Вант-Гоффом (1887). Исследовал процессы дыхания и азотного обмена в растениях, энергетику фотосинтеза, превращения запасных питательных веществ, физиологию раздражимости и механику движения листьев и цветков. Открыл положительный хемотаксис у гамет папоротников.

Как уже упоминалось выше В.Пфеффер в 1877 г. приготовил искусственную полупроницаемую мембрану. Для этого в пористый фарфоровый сосуд наливали раствор медного купороса и помещали в другой сосуд, заполненный раствором ферроцианида калия. В порах первого фарфорового сосуда растворы соприкасались и реагировали друг с другом. В результате в порах образовалась пленка из ферроцианида меди Cu 2 , которая обладала полупроницаемостью.

Таким образом, была создана модель клетки: полупроницаемая пленка имитировала мембрану, а стенки сосуда - пектоцеллюлозную оболочку. Сосуд, в порах которого образовалась полупроницаемая мембрана, заполненный раствором сахарозы, помещали в воду.

Такой прибор получил название осмометра.

Схема осмометра Пфеффера на Рис.1: 1 - сосуд с растворителем; 2- мембрана; 3 - ячейка с раствором; 4 - манометр.

Продолжив изучения, В. Пфеффер установил такой факт - поступление воды в раствор через полупроницаемую перегородку обусловливается разностью между свободной энергией чистой воды и раствора - данный процесс происходит самопроизвольно по градиенту свободной энергии воды. Кроме того, Пфеффер обнаружил, что химический состав раствора не изменяется после его разбавления, то есть пленка обладает селективностью (избирательностью) по проникающим компонентам. Так появился термин «полупроницаемая мембрана».

Схема эксперимента по измерению осмотического давления (Рис.2)

Однако Пфеффер не смог установить количественные зависимости осмотического давления от концентрации и температуры.

Данную зависимость вывел Вант-Гофф:

Линейная зависимость осмотического давления от концентрации раствора и от температуры соблюдается только для идеальных растворов. То есть уравнение для идеальных растворов имеет вид:

Поэтому уравнение можно применять только для разбавленных растворов. Если растворенное вещество диссоциирует и имеет степень диссоциации, то в простейшем случае диссоциации одной частицы на две имеем АВ-А+ + В-.

Число недиссоциированных частиц, получившихся из 1 моль, равно (1-а) моль, число продуктов диссоциации равно 2а моль, а всего молей будет 1 - а + 2а=1+a.

Сумму 1 +а обозначают буквой i. Это так называемый изотонический коэффициент Вант-Гоффа.

Тогда уравнение осмотического давления принимает вид

где π – осмотическое давление,

i – коэффициент Вант-Гоффа,

R – универсальная газовая постоянная, 8,31 Дж/моль∙К

T – абсолютная температура, К

Идеальными при любых концентрациях являются растворы, компоненты которых близки по физическим и химическим свойствам и образование которых не сопровождается объёмными и тепловыми эффектами. В этом случае силы межмолекулярного взаимодействия между однородными и разнородными частицами примерно одинаковы, и образование раствора обусловлено лишь энтропийным фактором.

Реальные растворы компоненты которых существенно различаются по физическим и химическим свойствам, подчиняются закону Рауля лишь в области бесконечно малых концентраций.

В осмометре при наличии полупроницаемой мембраны вода будет поступать в раствор, что приведет к его разбавлению, и движение воды будет замедляться.

Наступает термодинамическое равновесие. Термодинамическим равновесием называется такое термодинамическое состояние системы, которое при постоянстве внешних условий не изменяется во времени, причём, эта неизменяемость не обусловлена каким-либо внешним процессом. Таким образом, давление столба жидкости уравновесит силу, с которой молекулы воды поступают в осмометр. Энергия молекул воды, которая уменьшилась благодаря введению растворенного вещества, восполнится давлением столба жидкости. Это давление повышает химический потенциал раствора (μ р), делая его равным химическому потенциалу чистой воды (μ в). В этом период времени наблюдается осмотическое равновесие. Так как осмотическое равновесие было достигнуто процесс осмоса останавливается.

Если после достижения осмотического равновесия со стороны раствора приложить давление, превышающее осмотическое, то растворитель начнет переходить из раствора в обратном направлении. В этом случае будет иметь место обратный осмос.

Присоединив манометр, можно измерить давление, которое надо приложить к системе, чтобы предотвратить поступление воды в раствор и наоборот.

Обратный осмос применяется в фильтрующих установках для очистки и обогащения воды минералами.

Обдумывая выбор системы фильтрации воды для питья, хозяйственных нужд, пользователи часто задаются вопросом, что такое обратный осмос, т.к. основанные на нем фильтры являются очень популярными.

Под этим термином понимается процесс, при котором под воздействием давления растворитель (роль которого обычно играет вода), проходит частично проницаемую мембрану из раствора большей концентрации в раствор меньшей концентрации. Эта технология не является придумкой человека, она существует в живых организмах, обеспечивая обмен различными веществами между клетками. Человеком применяется обратный осмос с целью опреснения или очистки воды.

Требуемое давление может сильно варьироваться в зависимости от характеристик исходной жидкости. Так для опреснения соленых морских вод требуется около 70-80 атмосфер, для очистки пресной воды из скважин, систем централизованного водоснабжения от примесей и загрязнений – 3-4 атмосферы. Повышение давления лишь улучшает качество фильтрации.

Суть фильтрации обратным осмосом

Такой метод позволяет гораздо эффективней очищать воду, чем более традиционные, основанные только на механическом отделении крупных загрязнений, адсорбции ряда веществ. При обратном осмосе фильтрация идет на куда более мелком уровне – молекулярном. Даже такая система не может обеспечить 100% очистки, но посторонние примеси проходят мембраны в фильтрах в ничтожно малых количествах. По большинству неорганических соединений/элементов фильтрация составляет 85% — 98%. Органические вещества большого молекулярного веса удаляются практически полностью. Основные содержащиеся в воде газы – кислород, водород – почти не изменяют своей концентрации, т.е. вкус воды не меняется.

Особо важен следующий факт: бактерии и вирусы как раз являются крупными по размеру, т.е. отфильтровываются, вода получается обеззараженной. Дополнительно фильтры часто оснащаются ультрафиолетовыми излучателями, окончательно уничтожающими всех потенциальных возбудителей болезней.

Получаемая на выходе вода очень чистая и может использоваться для питья и готовки даже без дополнительного кипячения. Минимальное содержание солей приводит к почти полному отсутствию накипи в чайниках, посудомоечных, стиральных машинах. Свойства отфильтрованной воды близки к воде талой. Не приготовляемой дома, получаемой от таяния выпавшего снега, а от древних ледников, замерзших еще тогда, когда экология планеты была несравнимо лучше.

Эффективность осмотической фильтрации

Естественно, система обратного осмоса не может работать одинаково хорошо в любых условиях. Качество фильтрации зависит от:

• Давления;
• Температурного режима;
• Кислотности среды;
• Материала мембраны;
• Химического состава фильтруемой воды.

Размер ячеек мембраны таков, что через нее свободно проходят молекулы воды и то, что имеет еще меньший диаметр. Более крупные элементы задерживаются. А чтобы они не скапливались у фильтрующей поверхности, замедляя процесс очистки, в фильтре предусматривается дополнительный небольшой поток воды, смывающий их в дренаж.

Но к крупногабаритным загрязнениям такие мембраны очень чувствительны. Поэтому с целью их защиты от быстрого изнашивания необходим фильтр или целая система фильтров предварительной очистки, отделяющих элементы вроде ржавчины, песка, кусочков органики и т.д., адсорбирующих некоторые примеси вроде хлора. Иначе в лучшем случае качество фильтрации ухудшится, ее скорость замедлится, в худшем – фильтр вовсе выйдет из строя.

Так ли идеальна отфильтрованная вода

При всех достоинствах есть у таких систем и недостаток. Высокая степень очистки воды означает почти полную деминерализацию. Питье такой воды приводит к вымыванию из организма многих необходимых веществ (к примеру, кальция, магния), что негативно сказывается на здоровье — в первую очередь, состоянии костей.

Проблема решается:

• установкой минерализаторов для той воды, которая будет использована для питья (а не для готовки, мытья посуды, стирки), добавляющих только необходимые человеку элементы;
• дополнительным приемом витаминно-минеральных комплексов;
• питьем не только воды, но и других напитков.

Строение мембран фильтра

Мембраны по сути представляют собой очень мелкое сито, размер ячеек которого настолько мал, что невооруженным глазом их не разглядеть. Для большей прочности и устойчивости мембраны могут крепиться к пластиковым сеткам, которые дополнительно предохраняют их от крупного мусора, все же прошедшего все предыдущие ступени очистки.

Изготавливаются мембраны из композитных полимерных материалов. Их пропускная способность недостаточно высока, чтобы при малой площади обеспечить потребности потребителей. Поэтому производители фильтров стремятся максимально эту площадь увеличить, сворачивая рулонами.

Основные характеристики мембран:

• Производительность (т.е. какой объем воды за единицу времени очищается);
• Степень фильтрации (какой процент поступившей воды очищается). Неочищенная вода может просто сливаться в канализацию, а может использоваться для полива растений, смыва и прочих хозяйственных дел, где идеальная чистота жидкости не особо важна.

Выбор фильтра

Подбирая систему обратного осмоса, следует обратить внимание не только на их качество и производительность, но и требуемое им давление поступающей жидкости. Возможно, напора водопроводной воды будет недостаточно, тогда лучше выбрать другой фильтр, работающий при меньшем давлении или имеющий встроенный насос, либо установить насос отдельно.

Фильтры обратного осмоса, применяемые в домашних условиях, способны очистить за сутки пару-тройку сотен литров воды, чего для нужд среднестатистической семьи более чем достаточно. Для промышленных предприятий применяются куда более мощные установки, отфильтровывающие в сотни раз большие объемы.

Подводя итоги

В общем, обратный осмос, несмотря на свою простоту, обеспечивает высокую степень очистки и обеззараживания воды. Поэтому фильтры с применением этой технологии полностью оправдывают затраты на их приобретение, обслуживание и ремонт.

Основные закономерности поступления воды в клетку

Поскольку большая часть присутствующей в клетке воды находится в вакуоли, начнем рассмотрение проблемы поступления воды с того пути, который преодолевает молекула воды при попадании в вакуоль клетки. Вода должна пройти сквозь две мембраны (плазмалемму и тонопласт) и через лежащую между ними цитоплазму (мезоплазму). Обычно все три указанные структуры рассматриваются как единый мембранный барьер.

Для того, чтобы представить каким образом вода проходит через мембрану поместим клетку, в вакуоли которой находятся соли, сахара, аминокислоты и т. д., в сосуд с дистиллированной водой. Согласно молекулярно-кинетической теории молекулы всех веществ находятся в состоянии быстрого хаотического движения, скорость которого зависит от энергии этих молекул. Поскольку молекулы воды малы и проходят через клеточные мембраны намного быстрее, чем молекулы других веществ, мы можем простоты ради ограничиться рассмотрением перемещения только молекул воды. Молекулы эти диффундируют во всех направлениях: в клетку и из клетки, в различные клеточные органеллы и из них. Вакуоль содержит значительные количества растворенных веществ. Молекулы этих растворенных веществ ослабляют связи между содержащейся в вакуоли молекулами воды, притягивая их к себе и тем самым, уменьшая ее суммарный поток из клетки наружу. В известном смысле растворенные вещества снижают активность молекул воды. Как следствие этого кинетическая энергия воды в вакуоли ниже, чем в относительно более чистой воде вне клетки. Сказанное означает, что снаружи вакуоли о любой участок ее мембраны ударяется в единицу времени больше воды, и большее их число проникает на этом участке внутрь, нежели выходит из нее. В результате этой быстрой неравномерной двусторонней диффузии молекул воды через мембрану вакуоли объем последней увеличивается, и создается тургор, – содержимое клетки прижимается к ее стенке.

Осмотический механизм поступления воды

Причиной односторонней диффузии является разность концентраций раствора по обеим сторонам мембраны. Система, которая содержит растворы разных концентраций (или раствор и растворенное вещество), разделенная мембранной, получила название осмотической. Пространство, окруженное избирательно проницаемой мембраной и заполненное каким-либо водным раствором, называется осмотической ячейкой.

Клетка представляет собой осмотическую систему: более концентрированный раствор – это внутриклеточное содержимое (вакуолярный сок), менее концентрированный – раствор в свободном пространстве клетки, роль проницаемой мембраны, разделяющей эти пространства, играют плазмалемма, мезоплазма и тонопласт.

Диффузия воды через избирательно проницаемую мембрану называется осмосом; концентрация растворенных веществ в вакуоли служит мерой максимальной способности клетки поглощать воду.

Изучение растительной клетки как осмотически регулируемой системы началось давно. Около 180 лет назад (1826 г.) французкий ботаник Г. Дютраше изучал осмос в клетке с помощью очень простого устройства: к кончику стеклянной трубки он прикрепил мешочек из пергамента, заполнил его раствором соли или сахара, и опустил в стакан с водой; при этом наблюдалось движение воды внутрь мешочка и небольшое ее поднятие по трубке. Эта простейшая модель клетки была названа осмометром Дютроше. Но выход сахара из мешочка не позволял определить осмотическое давление.

В 1877 г. немецкий ботаник В. Пфеффер создал более совершенную модель растительной клетки (рис. 4.2).

Рис. 4.2. Осмотическая ячейка: А – осмометр Пфеффера; Б – растительная клетка

В осмометре Пфеффера в отличие от осмометра Дютраше появилась деталь, которая имитировала клеточную мембрану – пористый фарфоровый сосуд. Проницаемую мембрану получали следующим образом: внутрь сосуда наливали раствор медного купороса, а затем опускали его в раствор ферроцианида калия. В результате в порах, которые были в фарфоре, образовывалась избирательно проницаемая мембрана из ферроцианида меди. В этом случае проницаемая мембрана образовывалась в стенке пористого сосуда подобно тому, как плазмалемма входит в межфибриллярные полости клеточной стенки. Затем фарфоровый сосуд заполняли раствором сахара, имитирующим вакуолярный сок, и помещали в воду. Вода поступала в прибор. Соединив свой прибор, имитирующий клетку, с монометром, В. Пфеффер установил, что уровень жидкости в монометре поднимается сначала быстрей, затем медленнее, пока не установится на определенном уровне. Гидрастатическое давление столба жидкости у монометрической трубке служит мерой осмотического давления раствора.

Осмотическое давление можно выявить только в том случае, если раствор находится в сосуде с избирательно проницаемой мембраной, по другую сторону которой находится растворитель. Таким образом, осмотическое давление в отсутствие проницаемой мембраны находится как бы в потенциальном состоянии и поэтому ему дали название осмотического потенциала и обозначили буквой Р . С помощью осмометра В. Пфеффера было установлено, что осмотический потенциал пропорционален температуре и концентрации вакуолярного сока. Следовательно, величина Р не является постоянной.

Для расчета потенциального давления используют формулу (закон Бойля-Мариота для газов):

Р = iСRT , (4.1)

где С – концентрация раствора в молях; Т – абсолютная температура; R – газовая постоянная; i – изотонический коэффициент, равный 1 + a (n – 1), a – степень ионизации, n – количество ионов, на которое диссоциирует молекула электролита.

Это выражение справедливо для разбавленных растворов и означает, что осмотическое давление при постоянной температуре определяется концентрацией частиц (молекул, ионов) растворимого вещества (количеством в единице объема раствора). Потенциальное осмотическое давление отражает максимально возможное давление, которое имеет раствор данной концентрации, или максимальную способность раствора в ячейке поглощать воду.

Таким образом, на величину осмотического потенциала клетки влияет концентрация веществ, растворенных в вакуолярном соке. Эти вещества называются осмотически активными. К ним относятся органические кислоты, аминокислоты, сахара, соли. Суммарная концентрация этих веществ в вакуолярном соке варьирует от 0,2 до 0,8 М.

Величина осмотического потенциала разная у разных видов растений. Самое маленькое осмотическое давление у растений, произрастающих в пресной воде (1–3 атм), у морских водорослей оно доходит до 36–55 атм. Для наземных однолетних растений характерна следующая закономерность: в более сухих местах растения имеют и большие значения осмотического потенциала. В условиях нормального водообеспечения осмотический потенциала клеток составляет 5–10 атм, на засоленных почвах – 60–80 атм и даже 100. Наибольший осмотический потенциал, который удалось отметить на засоленных почвах – 202,5 атм. Исключение составляют суккуленты. Вырастая на сухих местах, они имеют маленький осмотический потенциал, так как накапливают воду в клетках.

Величина осмотического потенциала изменяется и в пределах одного растения: самая маленькая в корнях (5–10 атм), самая высокая – в верхних листьях (до 40 атм). У молодых растений осмотический потенциал меньше, чем у старых.

Величина осмотического потенциала изменяется в зависимости и от внешних условий: обеспеченности водой, температуры, интенсивности света. Эти факторы определяют его временные изменения. В полдень потеря воды в результате транспирации и накопления ассимилятов в клетках листьев вызывает увеличение осмотического потенциала. При хорошем водообеспечении, в частности у водных растений, колебания осмотического потенциала зависят только от скоростей процесса фотосинтеза, связанных с изменением интенсивности света на протяжении суток.

В меристематических клетках, не содержащих центральной вакуоли, также происходит осмотическое поступление воды, при этом избирательно проницаемой мембраной служит плазмалемма, а осмотически действующим раствором – цитоплазма.

После работ В. Пфеффера поступление воды в клетку начали объяснять разностью осмотических потенциалов вакуолярного сока и наружного раствора. В случае, когда клетка находилась в гипотоническом растворе, вода входила в нее (эндоосмос). Если же клетка находилась в гипертоническом растворе, тогда вода выходила из нее (экзоосмос). В последнем случае протопласт, вслед за сжимающейся вакуолью, мог отстать от клеточной оболочки, и в этом случае наблюдается плазмолиз. При одинаковых осмотических потенциалах растворов в клетке и снаружи (изотонический раствор) количество воды в клетке не меняется.

Это объяснение поступления воды в клетку долгое время считали единственным. Однако, в 1918 г. А. Уршпрунг и Г. Блюм (Германия) показали, что поступление воды в клетку зависит не только от разности осмотических потенциалов, а еще и от так называемой сосущей силы. Поясним этот термин.

Когда вода поступает в клетку, то увеличивается объем вакуоли, и последняя оказывает все большее давление на цитоплазму. Цитоплазма прижимается к клеточной оболочке. Клеточная оболочка растягивается, и объем клетки увеличивается. Давление протопласта на клеточную оболочку получило название тургорного. Его стали обозначать буквой Т. Если бы клеточная стенка могла беспредельно растягиваться, тогда поглощение воды шло бы до уравнивания концентрации растворов снаружи и внутри. Но клеточная оболочка имеет небольшую эластичность, поэтому она начинает давить на протопласт в противоположном направлении. Противодавление клеточной стенки на протопласт называется тургорным натяжением. Поскольку давление одинаково с противодавлением, то тургорное давление по абсолютной величине одинаково с тургорным натяжением. Являясь гидростатическим, тургорное давление противодействует дальнейшему поступлению воды в клетку таким же образом, как столб жидкости в трубке осмометра Пфеффера. При постепенном поступлении воды в клетку давление клеточной оболочки на протопласт увеличивается, и, в конце концов, оно станет равным осмотическому давлению. Поступление воды в клетку прекратиться, наступит равновесие, которое называется состоянием насыщения: количество воды в вакуоли не изменяется, хотя молекулы воды продолжают перемещаться через мембрану в обоих направлениях.

В состоянии насыщения осмотический потенциал одинаков по абсолютной величине тургорному давлению: Р = Т . Таким образом, в клетку может поступать вода только в том случае, если осмотический потенциал превышает тургорное давление. Сила, с которой вода поступает в вакуоль и была названа сосущей: S = Р – Т .

Это выражение стало основным при определении величины поступления воды в клетку за счет осмотических сил.

Если клетка полностью насыщена водой (тургенесцентна) S = 0, тогда Р = Т (правая сторона рисунка). Когда подача воды уменьшается (ветер, недостаток влажности в почве и т. д.), то сначала возникает водный дефицит в клеточных оболочках, водный потенциал в них уменьшается (становиться ниже, чем в вакуолях) и вода начинает передвигаться в клеточные оболочки. Отток воды из вакуоли снижает тургорное давление, и, таким образом, увеличивается сосущая сила. При длительном недостатке влаги большинство клеток теряет тургор. В этих условиях Т = 0, S = Р (рис. 4.3).

Рис. 4.3. Зависимость между тургорным давлением (Т), осмотическим давлением (Р) и сосущей силой (S)

Когда клетка находится в гипертоническом растворе, то при постепенной потере воды наступает плазмолиз. Внешний раствор легко проходит через клеточную оболочку и заполняет пространство между клеточной оболочкой и сокращающимся протопластом. При потере воды в результате испарения в воздушную среду, благодаря большим силам сцепления между молекулами воды протопласт, сокращаясь в объеме, не отстает от клеточной стенки, а тащит ее за собой. Клеточная оболочка, двигаясь за сокращающимся протопластом, выгибается и не только не надавливает на него, а наоборот, старается его растянуть. В этом случае величина тургорного давления с положительной становиться отрицательной, откуда S = Р – (–Т ) = Р + Т . Это означает, что в условиях сильного обезвоживания сосущая сила клетки может быть больше, чем осмотический потенциал. Это состояние называется циторризом.

По мере поглощения воды клеткой, с одной стороны, происходит уменьшение осмотического потенциала из-за снижения концентрации вакуолярного сока, а с другой – резко увеличивается тургор; в результате уменьшается сосущая сила. Когда вода продолжает поступать в клетку, то сосущая сила уменьшается и становиться равной нуля. Поступление воды прекращается.

Следовательно, поступление воды за счет осмотических сил создает условия для ликвидации дальнейшего поглощения воды клеткой. Но клетка продолжает испарять воду, тургор уменьшается и вновь возникает сосущая сила. Таким образом, процесс поступления воды в клетку является саморегулируемым.

Клетка может увеличить свой осмотический потенциал, а таким образом и сосущую силу, с помощью активного транспорта в вакуоль органических и минеральных веществ, а также в результате ферментативного превращения нерастворимых веществ в растворимые (крахмал в сахар, белков в аминокислоты), или в результате распада гексоз на триозы, дисахаров на моносахара.

В наше время известные специалисты по водному обмену растений Р. Слэтчер и С. Тейлор предложили заменить старый и широко используемый термин «сосущая сила» на «водный потенциал».

Требования к характеристикам питьевой воды за последние десятилетия значительно повысились. Это не значит, что люди стали потреблять более качественную жидкость, однако технологии фильтрации и очистки воды действительно стали эффективнее. При этом не всегда подобные устройства работают на принципиально новых технологиях - зачастую разработчики базируют системы очистки на принципах, которые окружают нас в природе. К таким явлениям относится и осмос. Что это такое и какую пользу он может принести обычному человеку? Это технологический процесс, который позволяет обеспечить в естественных условиях. Существуют разные подходы к технической реализации осмоса, но цели его остаются одинаковыми - получение чистой и безопасной для употребления воды.

Принцип осмоса

Данный процесс может иметь место в системах, где подвижность растворенных элементов меньше уровня активности растворителя. Обычно специалисты более наглядно демонстрируют это явление с помощью полупроницаемой мембраны. При этом важно учитывать, что такие мембраны можно называть полунепроницаемыми лишь для некоторых частиц. Теперь можно более точно ответить на следующий вопрос: осмос - что это такое? В сущности, это процесс отделения некоторых веществ от среды, в которой они находились до разделения посредством мембраны. Например, если подобную мембрану использовать для разделения чистого растворителя и раствора, то концентрация первого в среде будет менее высокой, так как определенная доля его молекул замещается частицами растворенных веществ.

В чем особенность обратного осмоса?

Процесс обратного осмоса является усовершенствованной технологией фильтрации различных сред. Опять же, стоит вернуться к принципу, на основе которого действует осмос - что это такое в завершенном виде? Это, к примеру, морская вода, которая прошла очистку от соли. Таким же образом можно выполнить фильтрацию от других загрязнений. Для этого и применяется обратный осмос, в котором на среду действует давление и заставляет вещество проходить через очищающую мембрану.

Несмотря на высокую эффективность такой очистки, существенных успехов в технологическом развитии данной концепции производители смогли добиться лишь в последние десятилетия. Современная очистка предполагает использование тончайших мембран, которые не пропускают даже частицы в виде низкомолекулярных примесей - к слову, их размер может составлять до 0,001 микрона.

Техническое воплощение

Несмотря на кажущуюся сложность, обратный осмос реализуется в довольно компактных устройствах. Основу таких систем формируют фильтры, которых может быть несколько. В традиционной конструкции начинается очистка с предфильтров. Затем следует комбинированный постфильтр, который может выполнять и дополнительные функции кондиционера или минерализатора. Наиболее продвинутые модели предусматривают включение высокоселективных мембран - это самая эффективная и дорогостоящая система. Осмос в таком исполнении обеспечивает не только многоступенчатую очистку, но и смягчает воду. Фильтры также снабжаются картриджами, специальными керамическими кранами, накопительными баками с возможностью замены резервуара и крышкой.

В процессе прохождения через такой очищается от растворенных и механических примесей, хлора и его соединений, гербицидов, алюминия, нефтепродуктов, пестицидов, элементов удобрений, фенолов, тяжелых металлов, а также от вирусов и бактерий. Эффект такой очистки можно заметить и без специального анализа. Обычная водопроводная вода, к примеру, избавляется от запаха и неприятных вкусовых оттенков. Более того, упомянутая функция минерализации обеспечивает составу обогащение природными минералами, среди которых - полезные ионы.

Производители и цены фильтров

Пожалуй, в России нет более известных фильтров для воды, чем продукция «Аквафор». Компания выпускает сверхкомпактные автоматические системы, реализующие высококачественную очистку с обогащением полезными элементами. Особенностью предложения «Аквафор» является эффективность и практичность систем, которые обеспечивают быстрый осмос. Цена таких устройств составляет 8-9 тыс. руб. Также пользуются успехом продукция марки «Гейзер» - в частности, серия «Престиж». Такие фильтры совмещают качественную очистку и удобство эксплуатации. Кстати, ресурс обратноосмотической мембраны такой системы в 10 раз превышает срок эксплуатации стандартных картриджей. Полный набор такого фильтрационного комплекса стоит около 10 тыс. руб. Востребованы на отечественном рынке и зарубежные системы с обратным осмосом, среди которых отмечается японская продукция Toray. Разработчики предлагают прямоточные устройства, которые не требуют наличия бака и снабжены отдельным краном.

История

Впервые осмос наблюдал А. Нолле в , однако исследование этого явления было начато спустя столетие.

Суть процесса

Рис. 1. Осмос через полупроницаемую мембрану. Частицы растворителя (синие) способны пересекать мембрану, частицы растворённого вещества (красные) - нет.

Явление осмоса наблюдается в тех средах, где подвижность растворителя больше подвижности растворённых веществ. Важным частным случаем осмоса является осмос через полупроницаемую мембрану . Полупроницаемыми называют мембраны, которые имеют достаточно высокую проницаемость не для всех, а лишь для некоторых веществ, в частности, для растворителя. (Подвижность растворённых веществ в мембране стремится к нулю). Как правило, это связано с размерами и подвижностью молекул, например, молекула воды меньше большинства молекул растворённых веществ. Если такая мембрана разделяет раствор и чистый растворитель, то концентрация растворителя в растворе оказывается менее высокой, поскольку там часть его молекул замещена на молекулы растворённого вещества (см. Рис. 1). Вследствие этого, переходы частиц растворителя из отдела, содержащего чистый растворитель, в раствор будут происходить чаще, чем в противоположном направлении. Соответственно, объём раствора будет увеличиваться (а концентрация вещества уменьшаться), тогда как объём растворителя будет соответственно уменьшаться.

Например, к яичной скорлупе с внутренней стороны прилегает полупроницаемая мембрана: она пропускает молекулы воды и задерживает молекулы сахара . Если такой мембраной разделить растворы сахара с концентрацией 5 и 10 % соответственно, то через нее в обоих направлениях будут проходить только молекулы воды. В результате в более разбавленном растворе концентрация сахара повысится, а в более концентрированном, наоборот, понизится. Когда концентрация сахара в обоих растворах станет одинаковой, наступит равновесие. Растворы, достигшие равновесия, называются изотоническими . Если принять меры, чтобы концентрации не менялись, осмотическое давление достигнет постоянной величины, когда обратный поток молекул воды сравняется с прямым.

Осмос , направленный внутрь ограниченного объёма жидкости, называется эндосмосом , наружу - экзосмосом . Перенос растворителя через мембрану обусловлен осмотическим давлением . Это осмотическое давление возникает соответственно Принципу Ле Шателье из-за того, что система пытается выравнять концентрацию раствора в обоих средах, разделенных мембраной, и описывается вторым законом термодинамики. Оно равно избыточному внешнему давлению, которое следует приложить со стороны раствора, чтобы прекратить процесс, то есть создать условия осмотического равновесия. Превышение избыточного давления над осмотическим может привести к обращению осмоса - обратной диффузии растворителя.

В случаях, когда мембрана проницаема не только для растворителя, но и для некоторых растворённых веществ, перенос последних из раствора в растворитель позволяет осуществить диализ , применяемый как способ очистки полимеров и коллоидных систем от низкомолекулярных примесей, например электролитов .

Значение осмоса

Осмос играет важную роль во многих биологических процессах. Мембрана, окружающая нормальную клетку крови , проницаема лишь для молекул воды, кислорода , некоторых из растворённых в крови питательных веществ и продуктов клеточной жизнедеятельности; для больших белковых молекул, находящихся в растворённом состоянии внутри клетки, она непроницаема. Поэтому белки, столь важные для биологических процессов, остаются внутри клетки.

Осмос участвует в переносе питательных веществ в стволах высоких деревьев, где капиллярный перенос не способен выполнить эту функцию.

Осмос широко используют в лабораторной технике: при определении молярных характеристик полимеров, концентрировании растворов, исследовании разнообразных биологических структур. Осмотические явления иногда используются в промышленности, например при получении некоторых полимерных материалов, очистке высоко-минерализованной воды методом обратного осмоса жидкостей.

Клетки растений используют осмос также для увеличения объёма вакуоли , чтобы она распирала стенки клетки (тургорное давление). Клетки растений делают это путём запасания сахарозы. Увеличивая или уменьшая концентрацию сахарозы в цитоплазме, клетки могут регулировать осмос. За счёт этого повышается упругость растения в целом. С изменениями тургорного давления связаны многие движения растений (например, движения усов гороха и других лазающих растений). Пресноводные простейшие также имеют вакуоль, но задача вакуолей простейших заключается лишь в откачивании лишней воды из цитоплазмы для поддержания постоянной концентрации растворённых в ней веществ.

Осмос также играет большую роль в экологии водоёмов. Если концентрация соли и других веществ в воде поднимется или упадёт, то обитатели этих вод погибнут из-за пагубного воздействия осмоса.

Использование в промышленности

Первая в мире электростанция - прототип, использующая для выработки электричества явление осмоса, запущена компанией Statkraft 24 ноября 2009 года в Норвегии вблизи города Тофте. Солёная морская и пресная вода на электростанции разделены мембраной ; так как концентрация солей в морской воде выше, между солёной водой моря и пресной водой фьорда развивается явление осмоса, - постоянный поток молекул воды через мембрану в сторону солёной воды. В результате чего давление солёной воды возрастает. Это давление соответствует давлению столба воды в 120 метров высотой, то есть достаточно высокому водопаду. Поток воды достаточен, чтобы приводить в действие гидротурбину, вырабатывающую энергию. Производство носит ограниченный характер, основная цель - тестирование оборудования. Самый проблематичный компонент электростанции - мембраны. По оценкам специалистов Statkraft мировое производство может составить от 1 600 до 1 700 TWh, что сравнимо с потреблением Китая в 2002. Ограничение связано с принципом действия - подобные электростанции могут быть построены только на морском побережье. Это не вечный двигатель, источником энергии является энергия солнца. Солнечное тепло отделяет воду от моря при испарении и посредством ветра переносит на сушу. Потенциальная энергия используется на гидроэлектростанциях , а химическая энергия долго оставалась без внимания.

Примечания

Ссылки

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Осмос" в других словарях:

осмос - осмос, а … Русский орфографический словарь

ОСМОС, односторонняя диффузия РАСТВОРИТЕЛЯ (такого как вода) через естественную или искусственную полупроницаемую мембрану (перегородка, пропускающая только определенные растворенные вещества) в более концентрированный раствор. Из за того, что… … Научно-технический энциклопедический словарь

Свойство жидкостей соединяться, даже когда они разделены к. н. пористой перегородкой, также и самое это просачивание жидкостей. Полный словарь иностранных слов, вошедших в употребление в русском языке. Попов М., 1907. ОСМОС см. ЭНДОСМОС и… … Словарь иностранных слов русского языка

- (от греч. osmos толчок давление), односторонний перенос растворителя через полупроницаемую перегородку (мембрану), отделяющую раствор от чистого растворителя или раствора меньшей концентрации. Обусловлен стремлением системы к термодинамическому… … Большой Энциклопедический словарь

Осмоз Словарь русских синонимов. осмос сущ., кол во синонимов: 2 осмоз (1) электроосмос … Словарь синонимов

Осмос - (от греч. osmos толчок, давление) диффузия веществ в виде ионов через полупроницаемые клеточные мембраны. Осмос, направленный внутрь клеток, называется эндосмосом, наружу экзосмосом. Основной канал обмена веществ организмов с окружающей средой.… … Экологический словарь

осмос - – проникновение молекул растворителя через мембрану из растворителя в раствор или из раствора с меньшей концентрацией в раствор с большей концентрацией. Общая химия: учебник / А. В. Жолнин Осмос – диффузия растворителя через полупроницаемую… … Химические термины

- (от греческого osmos толчок, давление), самопроизвольный переход растворителя через полупроницаемую мембрану, не пропускающую растворённое вещество. Для того чтобы сохранить первоначальный состав раствора, необходимо приложить к раствору… … Современная энциклопедия

Главная » Части речи » Сущность процесса осмоса и его роль в биологических системах. Коллигативные свойства Осмотическая функция