Осмос ( / ɒ z ˈ m oʊ s ɪ s / , в США также / ɒ s -/ ) [1] представляет собой спонтанное чистое движение или диффузию молекул растворителя через избирательно-проницаемую мембрану из области высокого водного потенциала (области более низкая концентрация растворенного вещества ) в область с низким водным потенциалом (область более высокой концентрации растворенного вещества) [2] в направлении, которое стремится уравнять концентрации растворенного вещества с обеих сторон. [3] [4] [5] Его также можно использовать для описания физического процесса, в котором любой растворитель движется через избирательно проницаемую мембрану (проницаемую для растворителя, но не для растворенного вещества), разделяющую два раствора с разными концентрациями. [6] [7] Осмос можно заставить совершать работу . [8] 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, а не от его идентичности.
Осмос является жизненно важным процессом в биологических системах , поскольку биологические мембраны полупроницаемы. В целом эти мембраны непроницаемы для крупных и полярных молекул, таких как ионы , белки и полисахариды , но проницаемы для неполярных или гидрофобных молекул, таких как липиды , а также для малых молекул, таких как кислород, углекислый газ, 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 мембраны органелл путем диффузии через фосфолипидный бислой через аквапорины (небольшие трансмембранные белки, подобные тем, которые отвечают за облегченную диффузию и ионные каналы). Осмос обеспечивает основной способ транспортировки воды в клетки и из них . Тургорное давление клетки в значительной степени поддерживается за счет осмоса через клеточную мембрану между внутренней частью клетки и ее относительно гипотонической средой .
Некоторые виды осмотического потока наблюдались с древних времен, например, при строительстве египетских пирамид. [9] Жан-Антуан Нолле впервые задокументировал наблюдение осмоса в 1748 году. [10] Слово «осмос» происходит от слов «эндосмос» и «экзосмос», которые были придуманы французским врачом Рене Жоахимом Анри Дютроше (1776–1847). от греческих слов ἔνδον ( éndon «внутри»), ἔξω ( éxō «внешний, внешний») и ὠσμός ( ōsmós «толчок, импульс»). [11] В 1867 году Мориц Траубе изобрел высокоселективные преципитационные мембраны, что способствовало развитию искусства и техники измерения осмотического потока. [9]
Осмос – это движение растворителя через полупроницаемую мембрану в сторону более высокой концентрации растворенного вещества. В биологических системах растворителем обычно является вода, но осмос может происходить и в других жидкостях, сверхкритических жидкостях и даже газах. [12] [13]
Когда клетка погружается в воду , молекулы воды проходят через клеточную мембрану из области с низкой концентрацией растворенных веществ в область с высокой концентрацией растворенных веществ. Например, если клетка погружена в соленую воду, молекулы воды выходят из клетки. Если клетка погружена в пресную воду, молекулы воды перемещаются в клетку.
Когда мембрана имеет объем чистой воды с обеих сторон, молекулы воды проходят внутрь и наружу в каждом направлении с одинаковой скоростью. Чистый поток воды через мембрану отсутствует.
Осмос можно продемонстрировать, добавив ломтики картофеля в раствор с высоким содержанием соли. Вода из картофеля выходит в раствор, в результате чего картофель сморщивается и теряет свое «тургорное давление». Чем более концентрированный солевой раствор, тем больше потеря размера и веса ломтика картофеля.
Химические сады демонстрируют эффект осмоса в неорганической химии.
Механизм, ответственный за осмос, обычно описывается 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 движению воды к растворенному веществу). Оба эти представления были окончательно опровергнуты.
Диффузионная модель осмоса оказывается несостоятельной из-за того, что осмос может перемещать воду через мембрану в сторону более высокой концентрации воды. [14] Модель «связанной воды» опровергается тем фактом, что осмос не зависит от размера молекул растворенного вещества (коллигативное свойство [15]) 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 оказывали бы свободные молекулы растворенного вещества. Следует принять во внимание тот факт, что тепло из окружающей среды может быть преобразовано в механическую энергию (подъем воды).
Многие термодинамические объяснения основаны на концепции химического потенциала и на том, как функция воды на стороне раствора отличается от функции чистой воды из-за более высокого давления и присутствия противодействующего растворенного вещества, так что химический потенциал остается неизменным. Теорема вириала показывает, 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 «вынуждать» раствор до тех пор, пока давление не достигнет достигает равновесия. [15]
Осмотическое давление является основным фактором поддержки многих растений. Осмотическое поступление воды повышает тургорное давление, оказываемое на клеточную стенку , пока оно не сравняется с осмотическим давлением, создавая устойчивое состояние .
Когда растительную клетку помещают в гипертонический по отношению к цитоплазме раствор, вода выходит из клетки и клетка сморщивается. 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 растительная клетка помещается в гипотонический по отношению к цитоплазме раствор, вода проникает в клетку, и клетка набухает, становясь набухшей .
Осмос отвечает за способность корней растений вытягивать воду из почвы. Растения концентрируют растворенные вещества в клетках корней путем активного транспорта , а вода поступает в корни путем осмоса. Осмос также отвечает за контроль движения замыкающих клеток .
Осмос также играет жизненно важную роль в клетках человека, способствуя движению воды через клеточные мембраны. Этот процесс имеет решающее значение для поддержания надлежащей гидратации клеток, поскольку клетки могут быть чувствительны к обезвоживанию или чрезмерной гидратации. В клетках человека осмос необходим для поддержания баланса воды и растворенных веществ, обеспечивая оптимальную клеточную функцию. Дисбаланс осмотического давления может привести к клеточной дисфункции, что подчеркивает важность осмоса для поддержания здоровья и целостности клеток человека.
В необычных условиях осмос может быть очень вреден для организмов. Например, пресноводные и морские аквариумные рыбки , помещенные в воду с соленостью, отличной от той, к которой они приспособлены, погибнут быстро, а в случае морских рыб – резко. Другим примером вредного осмотического эффекта является использование поваренной соли для уничтожения пиявок и слизней .
Предположим, животную или растительную клетку поместили в раствор сахара или соли в воде.
Это означает, что если клетку поместить в раствор с концентрацией растворенного вещества выше, чем ее собственная, она сморщится, а если поместить ее в раствор с более низкой концентрацией растворенного вещества, чем ее собственная, клетка набухнет и может даже лопнуть. .
Осмосу можно противостоять, увеличивая давление в области высокой концентрации растворенного вещества по сравнению с давлением в области низкой концентрации растворенного вещества. Сила на единицу площади, или давление, необходимая для предотвращения прохождения воды (или любого другого раствора с высокой ликвидностью ) через избирательно проницаемую мембрану в раствор большей концентрации, эквивалентна осмотическому давлению раствора , или тургору . Осмотическое давление является коллигативным свойством , означающим, что это свойство зависит от концентрации растворенного вещества, а не от его содержания или химической идентичности.
Осмотический градиент — это разница в концентрации между двумя растворами по обе стороны полупроницаемой мембраны , и он 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 сторону гипертонического раствора (раствора с более высокой концентрацией). В конце концов, сила столба воды на гипертонической стороне полупроницаемой мембраны сравняется с силой диффузии на гипотонической (стороне с меньшей концентрацией) стороне, создавая равновесие. Когда равновесие достигнуто, вода продолжает течь, но она течет в обе стороны с равными количествами и силой, тем самым стабилизируя раствор.
Обратный осмос — это процесс разделения, в котором используется давление, чтобы протолкнуть растворитель 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, применяя давление, превышающее осмотическое давление . Этот процесс известен прежде всего своей ролью в превращении морской воды в питьевую, когда из молекул воды удаляются соли и другие нежелательные вещества. [16]
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 создания чистого потока воды через полупроницаемую мембрану, так что исходный раствор становится концентрированным по мере того, как вытягиваемый раствор становится разбавленным. Разбавленный раствор для вытяжки затем можно использовать напрямую (как в случае с пищевыми растворенными веществами, такими как глюкоза) или направить на процесс вторичного разделения для удаления растворенного вещества для вытяжки. Это вторичное разделение может быть более эффективным, чем один только процесс обратного осмоса, в зависимости от используемого растворенного вещества и обработанной питательной воды. Прямой осмос — это область текущих исследований, направленных на применение в опреснении , очистке воды , водоочистке , пищевой промышленности и других областях исследований.
Будущие разработки в области осмоса и исследования осмоса обещают множество применений. Исследователи изучают современные материалы для более эффективных осмотических процессов, что приведет к улучшению технологий опреснения и очистки воды. Кроме того, интеграция производства осмотической энергии, при которой разница осмотического давления между соленой и пресной водой используется для производства энергии, представляет собой устойчивый и возобновляемый источник энергии со значительным потенциалом. Кроме того, в области медицинских исследований рассматриваются инновационные системы доставки лекарств, использующие осмотические принципы, обеспечивающие точное и контролируемое введение лекарств в организм. Поскольку технологии и понимание в этой области продолжают развиваться, ожидается, что применение осмоса будет расширяться, решая различные глобальные проблемы в области устойчивости водных ресурсов, производства энергии и здравоохранения. [17]
Оригинальный 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… only… j’en avois rempli une fiole cylindrique, longue de cinq pouces, & d'un pouce de diamètre или environ; и 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'etre sûr qu'il ne rentrât aucun air dans l'esprit de вин. В течение шести часов я удивляюсь тому, что это за игра, плюс pleine qu'au в момент погружения сына, quoiqu'elle le fût alors autant que ses bords pouvoient le permettre; la Vessie qui lui servoit de bouchon, étoit devenue convexe & sitendu, 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, мне следует сообщить о событии, которое я обязан случайности и которое сначала показалось мне… странным… Я наполнил [спиртом] цилиндрический флакон длиной пять дюймов и диаметром около одного дюйма; и [после] накрыв его куском влажного пузыря, [который был] привязан к горлышку флакона, я погрузил его в большую чашу, полную воды, чтобы быть уверенным, что воздух не попадет обратно в спирт. По прошествии 5 или 6 часов я был очень удивлен, увидев, что пузырек оказался более полным, чем в момент его погружения, хотя он [был наполнен] настолько, насколько позволяли его стенки; мочевой пузырь, служивший его крышкой, раздулся и так растянулся, что, если его уколоть иглой, из него шла струя спирта, подымавшаяся более чем на фут высотой.
