Осмос

редактировать

химический процесс Процесс осмоса через полупроницаемую мембрану. Синие точки обозначают частицы, управляющие осмотическим градиентом.

Осмос () - это спонтанное чистое движение молекул растворителя через выборочно проницаемую мембрану в область с более высокой концентрацией растворенного вещества в направлении, которое стремится уравнять концентрации растворенного вещества 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 перемещения растворителя через мембрану. Осмотическое давление - это коллигативное свойство, означающее, что осмотическое давление зависит от молярной концентрации растворенного вещества, но не от его идентичности.

Осмос - это 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, при этом они проницаемы для неполярные или гидрофобные молекулы, такие как липиды, а также небольшие молекулы, такие как кислород, диоксид углерода, азот и оксид азота. Проницаемость зависит от растворимости, заряда или химического состава, а также от размера растворенного вещества. Молекулы воды перемещаются через плазматическую мембрану, мембрану тонопласта (вакуоль) или протопласт, диффундируя через бислой фосфолипидов через аквапорины (небольшие трансмембранные белки, подобные тем, которые отвечают за облегченную диффузию и ионные каналы). Осмос обеспечивает основное средство, с помощью которого вода транспортируется в и из ячеек. тургор давление клетки в значительной степени поддерживается осмосом через клеточную мембрану между внутренним пространством клетки и ее относительно гипотонической средой.

Содержание

  • 1 История
  • 2 Механизм
  • 3 Факторы
    • 3.1 Осмотическое давление
    • 3.2 Осмотический градиент
  • 4 Вариация
    • 4.1 Обратный осмос
    • 4.2 Прямой осмос
  • 5 См. Также
  • 6 Ссылки
  • 7 Внешние ссылки

История

«эндосмометр », изобретенный Датроше.

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

Механизм

Осмос - это движение растворителя через полупроницаемая мембрана в сторону 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.

Когда клетка погружается в воду, молекулы воды проходят через клеточная мембрана от области с низкой концентрацией растворенного вещества до высокой концентрации 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 точно такой же 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 вода вдоль градиента 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.

Влияние различных растворов на клетки крови Микрофотографии осмотического давления на эритроциты (RBC) Растительные клетки в различных средах.

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

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 присутствия растворенного вещества. противодействие таким образом, чтобы химический потенциал оставался 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 «усиливать» «раствор до тех пор, пока давление не достигнет равновесия.

Осмотическое давление является основной причиной поддержки 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 гипертонический раствор. относительно цитоплазмы вода выходит из клетки, и клетка сжимается. При этом клетка становится вялой. В крайних случаях клетка становится плазмолизированной - 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 набухшей.

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, когда ломтики картофеля добавляют 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 раствор соли, 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, быстро умрут, а в случае морских рыб - резко. Другим примером вредного осмотического эффекта является использование поваренной соли для уничтожения пиявок и слизней.

. Предположим, что клетку животного или растения помещают в раствор сахара или соли в воде.

  1. Если среда является гипотонической по отношению к цитоплазме клетки - клетка будет набирать воду за счет осмоса.
  2. Если среда изотонична - чистого движения воды через клеточную мембрану не будет.
  3. Если среда является гипертонической по отношению к цитоплазме 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 будет сморщиться, и если его поместить в раствор с более низкой концентрацией растворенного вещества, чем в собственном, клетка набухнет и может даже лопнуть.

Химические сады демонстрируют эффект осмоса в неорганической химии.

Факторы

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, необходимое для предотвращения прохождения воды (или любого другого раствора с высокой жидкостью ) через селективно проницаемую мембрану в раствор с большей концентрацией эквивалентен осмотическому давлению раствора раствора или тургору. 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 разница в процентах от концентрации конкретной частицы, растворенной в растворе.

Обычно осмотический градиент используется при сравнении растворов, которые имеют полупроницаемую мембрану между ними, позволяющую 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 достигается равновесие, вода продолжает течь, но течет в обоих направлениях в равных количествах и с силой, таким образом стабилизируя раствор.

Вариант

Обратный осмос

Обратный осмос - это процесс разделения, в котором используется давление для проталкивания растворителя через полупроницаемую мембрану, удерживающую растворенное вещество с одной стороны и позволяет чистому растворителю проходить на другую сторону, вынуждая 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 может использоваться 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 затем можно использовать напрямую (как с поглощаемым растворенным веществом, таким как глюкоза) или направлять 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 текущих исследований, в которой основное внимание уделяется применениям в опреснении, очистке воды, очистке воды, переработке пищевых продуктов. и другие области исследований.

См. Также

Ссылки

Внешние ссылки

Найдите осмос в Викисловаре, бесплатном словаре.
В Wikibook School Science есть страница по теме: Демонстрация осмоса
На Викискладе есть материалы, связанные с Osmosis.

Последняя правка сделана 2021-06-01 03:50:19
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте