Страница полузащищенная
Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Для использования в других целях, см Осмос (значения) .

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

Осмос ( / ɒ г м oʊ . С ɪ с / ) [1] является спонтанным чистым движением растворителя молекул через селективно проницаемой мембрану в область более высокой растворенной концентрации, в направлении , которое имеет тенденцию к выравниванию концентрации растворенного вещества на две стороны. [2] [3] [4] Его также можно использовать для описания физического процесса, в котором любой растворитель перемещается через избирательно проницаемую мембрану (проницаемую для растворителя, но не для растворенного вещества), разделяя два раствора с разными концентрациями. [5] [6]Осмос можно заставить работать. [7] 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 бислой фосфолипидов 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. [8] Жан-Антуан Нолле впервые задокументировал наблюдение осмоса в 1748 году. [9] Слово «осмос» происходит от слов «эндосмос» и «экзосмос», которые были придуманы французским врачом Рене Жоахимом Анри Дютроше (1776–1847). от греческих слов νδον ( éndon «внутри»), ἔξω ( éxō «внешний, внешний») и ὠσμός ( ōsmós «толкать, побуждение»). [10] В 1867 году Мориц Траубе изобрел высокоселективные осаждающие мембраны, продвигая искусство и технику измерения осмотического потока.[8]

Механизм

Осмос - это движение растворителя через полупроницаемую мембрану к более высокой концентрации растворенного вещества (более низкой концентрации растворителя). В биологических системах растворителем обычно является вода, но осмос может происходить в других жидкостях, сверхкритических жидкостях и даже газах. [11] [12]

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.

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 общему перемещению воды к растворенному веществу). Оба эти представления окончательно опровергнуты.

Диффузионная модель осмоса становится несостоятельной из-за того, что осмос может направлять воду через мембрану к более высокой концентрации воды. [13] Модель «связанной воды» опровергается тем фактом, что осмос не зависит от размера молекул растворенного вещества - коллигативное свойство [14] - или от того, насколько они гидрофильны.

Микрофотографии осмотического давления на эритроциты (эритроциты)
Растительная клетка в разных средах.

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 оказали бы 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 концепцию 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 (вода и растворенное вещество) 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. [14]

Осмотическое давление является основной причиной поддержки 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 .

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 концентрированным является солевой раствор, тем больше разница в размере и весе ломтиков картофеля.

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, погибнут быстро, 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.

  1. Если среда гипотонична относительно цитоплазмы клетки - клетка будет набирать воду посредством осмоса.
  2. Если среда изотоническая - чистого движения воды через клеточную мембрану не будет.
  3. Если среда гипертоническая относительно цитоплазмы клетки - клетка будет терять воду из-за осмоса.

По сути, это означает, что если клетку поместить 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 лопнул.

Химические сады демонстрируют эффект осмоса в неорганической химии.

Факторы

Осмотическое давление

Основная статья: Осмотическое давление

Как упоминалось ранее, 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 концентраций 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 по направлению к гипертоническому раствору (раствору с более высокой концентрацией). В конце концов, сила столба воды на гипертонической стороне полупроницаемой мембраны будет равна силе диффузии на гипотонической (стороне с меньшей концентрацией) стороне, создавая равновесие. Когда равновесие достигается, вода продолжает течь, но течет в обоих направлениях в равных количествах и с силой, таким образом стабилизируя раствор.

Вариация

Обратный осмос

Основная статья: 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

Основная статья: 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, используют 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. Прямой осмос - это область постоянных исследований, в которых основное внимание уделяется опреснению и очистке воды., водоподготовка , пищевая промышленность и другие области обучения.

Смотрите также

  • Активный транспорт
  • Рассыпание
  • Распространение
  • Гомеостаз
  • Осморегуляция
  • Осмотический шок
  • Осмотическая сила
  • Плазмолиз
  • Установка обратного осмоса
  • Мощность градиента солености
  • Водный потенциал

Рекомендации

  1. ^ «Значение осмоса в Кембриджском словаре английского языка» . Dictionary.cambridge.org .
  2. ^ "Осмос" . Оксфордский словарь английского языка (Интернет-изд.). Издательство Оксфордского университета. (Требуется подписка или членство в учреждении-участнике .)
  3. ^ Осмос , Британская энциклопедия онлайн
  4. ^ Хейни, Дональд Т. (2001). Биологическая термодинамика . Кембридж: Издательство Кембриджского университета. стр.  130 -136. ISBN 978-0-521-79549-4.
  5. ^ Во, А .; Грант, А. (2007). Анатомия и физиология в здоровье и болезни . Эдинбург: Эльзевир. С. 25–26. ISBN 978-0-443-10101-4.
  6. ^ Осмос архивации 22 февраля 2008 в Wayback Machine . Гамбургский университет. последнее изменение: 31 июля 2003 г.
  7. ^ «Statkraft построит первый в мире прототип осмотической электростанции» . Statkraft . 3 октября 2007 года Архивировано из оригинала 27 февраля 2009 года.
  8. ^ а б Хаммель, HT; Схоландер, П. Ф. (1976). Перспективы механизма осмоса и впитывания // Осмос и растягивающий растворитель . Springer-Verlag, Берлин, Гейдельберг, Нью-Йорк. ссылка .
  9. ↑ L'Abbé Nollet (июнь 1748 г.) «Recherches sur les cause du bouillonnement des liquides» (Исследования причин кипения жидкостей) Mémoires de Mathématique et de Physique, tirés des registres de l'Académie Royale des Sciences de l ' Année 1748 , стр. 57–104; особенно стр. 101–103 . « Воспоминания» (1748 г.) были напечатаны вжурнале « Histoire de l'Académie Royale des Sciences Année 1748» , который был опубликован в 1752 г. и который содержит сокращенную версию статьи Нолле на страницах 10–19.

    Исходный текст  : Avant que de finir ce Mémoire, je crois devoir rendre compte d'un fait que je dois au hasard, & qui me parut d'abord… singulier… j'envois rempli une fiole cylindrique, longue de cinq pouces, & d'un pouce de diamètre ou environmental; & l'ayant couverte d'un morceau de vessie mouillée & ficelée au col du vaisseau, je l'avois plongée dans un grand vase plein d'eau, afin d'être sûr qu'il ne rentrât aucun air dans l'esprit de вин. Au bout de cinq ou six heures, je fus tout sururis de voir que la fiole étoit плюс pleine qu'au moment de son immersion, quoiqu'elle le fût alors autant que ses bords pouvoient le permettre; la vessie qui lui servoit de bouchon, étoit devenue convxe & si tenue, qu'en la piquant avec une épingle,il en sortit un jet de liqueur qui s'éleva à plus d'un pied de hauteur.

    Перевод  : Прежде чем закончить эти мемуары, я думаю, что мне следует рассказать о событии, которое я обязано случайности и которое сначала показалось мне… странным… Я наполнил [спиртом] цилиндрический флакон, пять дюймов в длину и около одного дюйма в диаметре; и [после] накрыв его куском влажного пузыря, [который] был привязан к горлышку флакона, я погрузил его в большую миску, полную воды, чтобы убедиться, что в спирт не попадет воздух. По прошествии 5 или 6 часов я был очень удивлен, увидев, что пузырек наполнился больше, чем в момент его погружения, хотя он [был заполнен] настолько, насколько позволяли его стороны; мочевой пузырь, служивший его крышкой, вздулся и настолько растянулся, что при уколе иглой из него вылетела струя спирта, поднявшаяся более чем на фут.

  10. ^ Этимология «осмоса»:
    • Анри Дютроше, L'Agent Immédiat du Movement Vital Dévoilé dans sa Nature et dans son Mode d'Action chez les Végétaux et chez les Animaux [Непосредственный агент живого движения, его природа и способ действия, обнаруженные в растениях и животных] (Париж , France: Dentu, 1826), стр. 115 и 126.
    • Промежуточное слово «осмос» и слово «осмотический» были придуманы шотландским химиком Томасом Грэмом . См .: Томас Грэм (1854 г.) «VII. Бейкерская лекция - об осмотической силе», « Философские труды Королевского общества» (Лондон) , том. 144. С. 177–288; см. особенно стр. 177, 178 и 227. См. также: Томас Грэм и Генри Уоттс , Элементы химии: в том числе приложения наук в искусстве , 2-е изд. (Лондон, Англия: Ипполит Байер, 1858 г.), т. 2, стр. 616 .
    • Слово «осмос» впервые появилось в: Jabez Hogg, The Microscope: Its History, Construction, and Application ... , 6th ed. (Лондон, Англия: Джордж Рутледж и сыновья, 1867), стр. 226 .
    • Этимология слова «осмос» обсуждается в: Гомер В. Смит (1960). «I. Теория решений: знание законов решений» . Тираж . 21 (5): 808–817 (810). DOI : 10.1161 / 01.CIR.21.5.808 . PMID 13831991 . 
  11. ^ Крамер, Эрик; Дэвид Майерс (2013). «Осмос не вызывается разбавлением водой». Тенденции в растениеводстве . 18 (4): 195–197. DOI : 10.1016 / j.tplants.2012.12.001 . PMID 23298880 . 
  12. ^ Крамер, Эрик; Дэвид Майерс (2012). «Пять популярных заблуждений об осмосе». Американский журнал физики . 80 (694): 694–699. Bibcode : 2012AmJPh..80..694K . DOI : 10.1119 / 1.4722325 .
  13. ^ Kosinski, RJ; К. К. Морлок (2008). «Бросая вызов заблуждениям об осмосе». Ассоциация лабораторного обучения биологии . 30 : 63–87.
  14. ^ a b Борг, Фрэнк (2003). «Что такое осмос? Объяснение и понимание физического явления». arXiv : физика / 0305011 .

внешняя ссылка

  • Моделирование осмоса на Java
  • Моделирование осмоса NetLogo для образовательных целей
  • Эксперимент по осмосу