Осмос - Osmosis

Процесс осмоса через полупроницаемую мембрану. Синие точки представляют собой частицы, управляющие осмотическим градиентом.

Осмос ( / ɒ г м с ɪ ы / , США и / ɒ с - / ) является спонтанным движением или чистая диффузией из растворителей молекул через избирательно проницаемую мембрану из области высокого водного потенциала (область нижней растворенного вещества концентрации) в область с низким водным потенциалом (область с более высокой концентрацией растворенных веществ) в направлении, которое стремится уравнять концентрации растворенных веществ с двух сторон. Его также можно использовать для описания физического процесса, в котором любой растворитель движется через селективно проницаемую мембрану (проницаемую для растворителя, но не для растворенного вещества), разделяя два раствора с разными концентрациями. Осмос можно заставить работать . Осмотическое давление определяется как внешнее давление, которое необходимо приложить, чтобы не было чистого движения растворителя через мембрану. Осмотическое давление - это коллигативное свойство , означающее, что осмотическое давление зависит от молярной концентрации растворенного вещества, но не от его идентичности.

Осмос - жизненно важный процесс в биологических системах , поскольку биологические мембраны полупроницаемы. Как правило, эти мембраны непроницаемы для больших и полярных молекул, таких как ионы , белки и полисахариды , в то же время они проницаемы для неполярных или гидрофобных молекул, таких как липиды, а также для небольших молекул, таких как кислород, диоксид углерода, азот и азотная кислота. окись. Проницаемость зависит от растворимости, заряда или химического состава, а также от размера растворенного вещества. Молекулы воды проходят через плазматическую мембрану, мембрану тонопласта (вакуоль) или протопласт, диффундируя через фосфолипидный бислой через аквапорины (небольшие трансмембранные белки, подобные тем, которые отвечают за облегчение диффузии и ионные каналы). Осмос является основным средством транспортировки воды в клетки и из них . Тургор давление клетки в значительной степени поддерживается путем осмоса через клеточную мембрану между внутренней клеточной и его относительно гипотонической среде.

История

« Эндосмометр » изобрел Датроше.

Некоторые виды осмотического потока наблюдались с древних времен, например, при строительстве египетских пирамид. Жан-Антуан Нолле впервые задокументировал наблюдение осмоса в 1748 году. Слово «осмос» происходит от слов «эндосмос» и «экзосмос», которые были придуманы французским врачом Рене Иоахимом Анри Дютроше (1776–1847) от греческих слов ἔνδον ( éndon «внутри»), ἔξω ( éxō «внешний, внешний») и ὠσμός ( ōsmós «толчок, импульс»). В 1867 году Мориц Траубе изобрел высокоселективные осаждающие мембраны, продвигая искусство и технику измерения осмотического потока.

Описание

Осмос - это движение растворителя через полупроницаемую мембрану к более высокой концентрации растворенного вещества. В биологических системах растворителем обычно является вода, но осмос может происходить в других жидкостях, сверхкритических жидкостях и даже газах.

Когда клетка погружена в воду , молекулы воды проходят через клеточную мембрану из области с низкой концентрацией растворенного вещества в область с высокой концентрацией растворенного вещества. Например, если ячейка погружена в соленую воду, молекулы воды выходят из ячейки. Если клетка погружена в пресную воду, молекулы воды перемещаются в клетку.

Вода, проходящая через полупроницаемую мембрану

Когда мембрана имеет объем чистой воды с обеих сторон, молекулы воды проходят внутрь и наружу в каждом направлении с одинаковой скоростью. Нет чистого потока воды через мембрану.

Осмос можно продемонстрировать, если добавить ломтики картофеля в раствор с высоким содержанием соли. Вода из картофеля переходит в раствор, в результате чего картофель сжимается и теряет «тургорное давление». Чем более концентрирован раствор соли, тем больше теряется в размере и весе ломтик картофеля.

Химические сады демонстрируют эффект осмоса в неорганической химии.

Механизм

Механизм, ответственный за управление осмосом, обычно представлен в текстах по биологии и химии как разбавление воды растворенным веществом (что приводит к более низкой концентрации воды на стороне мембраны с более высокой концентрацией растворенного вещества и, следовательно, к диффузии воды по градиенту концентрации) или за счет притяжения растворенного вещества к воде (что приводит к меньшему количеству свободной воды на стороне мембраны с более высокой концентрацией растворенного вещества и, следовательно, к чистому перемещению воды к растворенному веществу). Оба эти представления окончательно опровергнуты.

Диффузионная модель осмоса становится несостоятельной из-за того факта, что осмос может направлять воду через мембрану к более высокой концентрации воды. Модель «связанной воды» опровергается тем фактом, что осмос не зависит от размера молекул растворенного вещества - коллигативного свойства - или от того, насколько они гидрофильны.

Трудно описать осмос без механического или термодинамического объяснения, но, по сути, существует взаимодействие между растворенным веществом и водой, которое противодействует давлению, которое в противном случае могли бы оказывать свободные молекулы растворенного вещества. Следует обратить внимание на то, что тепло из окружающей среды может преобразовываться в механическую энергию (вода поднимается).

Многие термодинамические объяснения включают понятие химического потенциала и то, как функция воды на стороне раствора отличается от функции чистой воды из-за более высокого давления и наличия противодействующих растворенных веществ, так что химический потенциал остается неизменным. Теорема вириала демонстрирует, что притяжение между молекулами (водой и растворенным веществом) снижает давление, и, таким образом, давление, оказываемое молекулами воды друг на друга в растворе, меньше, чем в чистой воде, что позволяет чистой воде «нагнетать» раствор до давления достигает равновесия.

Роль в живых существах

Влияние различных растворов на клетки крови
Микрофотографии осмотического давления на эритроциты (эритроциты)
Растительная клетка в разных средах.

Осмотическое давление является основным поддерживающим фактором для многих растений. Осмотическое поступление воды увеличивает тургорное давление, оказываемое на клеточную стенку , до тех пор, пока оно не сравняется с осмотическим давлением, создавая устойчивое состояние .

Когда растительная клетка помещается в раствор, который является гипертоническим по отношению к цитоплазме, вода выходит из клетки, и клетка сжимается. При этом клетка становится вялой . В крайних случаях клетка подвергается плазмолизу - клеточная мембрана отрывается от клеточной стенки из-за отсутствия давления воды на нее.

Когда растительную клетку помещают в раствор, который является гипотоническим по отношению к цитоплазме, вода перемещается в клетку, и клетка набухает, становясь тургонной .

Осмос отвечает за способность корней растений вытягивать воду из почвы. Растения концентрируют растворенные вещества в своих корневых клетках за счет активного транспорта , а вода поступает в корни путем осмоса. Осмос также отвечает за управление движением замыкающих клеток .

В необычных условиях осмос может быть очень вредным для организмов. Например, пресноводные и морские аквариумные рыбы, помещенные в воду с соленостью, отличной от той, к которой они приспособлены, быстро умрут, а в случае морских рыб - резко. Другой пример вредного осмотического эффекта - использование поваренной соли для уничтожения пиявок и слизней .

Предположим, что клетка животного или растения помещена в раствор сахара или соли в воде.

  • Если среда является гипотонической по отношению к цитоплазме клетки, клетка будет получать воду посредством осмоса.
  • Если среда изотоническая , чистого движения воды через клеточную мембрану не будет.
  • Если среда является гипертонической по отношению к цитоплазме клетки, клетка будет терять воду из-за осмоса.

Это означает, что если клетка помещена в раствор с концентрацией растворенного вещества выше, чем ее собственная, она сморщится, а если ее поместить в раствор с более низкой концентрацией растворенного вещества, чем ее собственная, клетка набухнет и может даже лопнуть. .

Факторы

Осмотическое давление

Осмосу можно противодействовать, увеличивая давление в области высокой концентрации растворенного вещества по сравнению с давлением в области низкой концентрации растворенного вещества. Сила на единицу площади, или давление, необходимые для предотвращения прохождения воды (или любого другого высоко- ликвидности раствора) через избирательно проницаемую мембрану и в раствор большей концентрации эквивалентно осмотического давления раствора , или тургора . Осмотическое давление - это коллигативное свойство , означающее, что это свойство зависит от концентрации растворенного вещества, но не от его содержания или химической идентичности.

Осмотический градиент

Осмотический градиент - это разница в концентрации между двумя растворами по обе стороны от полупроницаемой мембраны , и используется для определения разницы в процентах концентрации конкретной частицы, растворенной в растворе.

Обычно осмотический градиент используется при сравнении растворов, между которыми имеется полупроницаемая мембрана, позволяющая воде диффундировать между двумя растворами в направлении гипертонического раствора (раствора с более высокой концентрацией). В конечном итоге сила столба воды на гипертонической стороне полупроницаемой мембраны будет равна силе диффузии на гипотонической (стороне с меньшей концентрацией) стороне, создавая равновесие. Когда равновесие достигнуто, вода продолжает течь, но течет в обоих направлениях в равных количествах и с силой, таким образом стабилизируя раствор.

Вариация

Обратный осмос

Обратный осмос - это процесс разделения, в котором используется давление для проталкивания растворителя через полупроницаемую мембрану, которая удерживает растворенное вещество с одной стороны и позволяет чистому растворителю проходить на другую сторону, вытесняя его из области с высокой концентрацией растворенного вещества через мембрану. в область с низкой концентрацией растворенного вещества путем приложения давления, превышающего осмотическое давление .

Прямой осмос

Осмос можно использовать непосредственно для отделения воды от раствора, содержащего нежелательные растворенные вещества. «Вытяжной» раствор с более высоким осмотическим давлением, чем исходный раствор, используется для индуцирования чистого потока воды через полупроницаемую мембрану, так что исходный раствор становится концентрированным, когда вытяжной раствор становится разбавленным. Разбавленный раствор для вытяжки можно затем использовать напрямую (как с поглощаемым растворенным веществом, таким как глюкоза) или направить на вторичный процесс разделения для удаления растворенного вещества при вытяжке. Это вторичное разделение может быть более эффективным, чем процесс обратного осмоса сам по себе, в зависимости от используемого при вытяжке растворенного вещества и обрабатываемой питательной воды. Форвард осмос является областью продолжающихся исследований, сосредоточив внимание на применение в опреснения , очистки воды , очистки воды , пищевой промышленности и других областей исследования.

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки