Осмос ( / ɒ z ˈ m oʊ s ɪ s / , также США / ɒ s -/ ) [1] представляет собой спонтанное чистое движение или диффузию молекул растворителя через селективно проницаемую мембрану из области высокого водного потенциала (область более низкой концентрации растворенного вещества ) в область низкого водного потенциала (область более высокой концентрации растворенного вещества), [2] в направлении, которое имеет тенденцию уравнивать концентрации растворенного вещества с двух сторон. [3] [4] [5] 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), разделяющую два раствора с различной концентрацией. [6] [7] Осмос можно заставить совершать работу . [8] Осмотическое давление определяется как внешнее давление, необходимое для предотвращения чистого движения растворителя через мембрану. Осмотическое давление является коллигативным свойством , то есть осмотическое давление зависит от молярной концентрации растворенного вещества, но не от его идентичности.
Осмос является жизненно важным процессом в биологических системах , поскольку биологические мембраны являются полупроницаемыми. В целом, эти мембраны непроницаемы для крупных и полярных молекул, таких как ионы , белки и полисахариды , в то же время проницаемы для неполярных или гидрофобных молекул, таких как липиды , а также для небольших молекул, таких как кислород, углекислый газ, азот и оксид азота. Проницаемость зависит от растворимости, заряда или химии, а также от размера растворенного вещества. Молекулы воды проходят через плазматическую мембрану, мембрану тонопласта (вакуоль) или мембраны органелл, диффундируя через фосфолипидный бислой через аквапорины (небольшие трансмембранные белки, подобные тем, которые отвечают за облегченную диффузию и ионные каналы). Осмос обеспечивает основной способ, с помощью которого вода транспортируется в клетки и из них . Тургорное давление клетки в значительной степени поддерживается осмосом 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] [a] 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»). [n 1] В 1867 году Мориц Траубе изобрел высокоселективные осадительные мембраны, продвинув искусство и технику измерения осмотического потока. [9]
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. [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 клетка погружена в соленую воду, молекулы воды выходят из клетки. Если клетка погружена в пресную воду, молекулы воды попадают в клетку.
Когда мембрана имеет объем чистой воды с обеих сторон, молекулы воды проходят внутрь и наружу в каждом направлении с абсолютно одинаковой скоростью. Чистого потока воды через мембрану нет.
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 свое «тургорное давление». Чем более концентрирован солевой раствор, тем больше потеря размера и веса ломтика картофеля.
Химические сады демонстрируют эффект осмоса в неорганической химии.
Механизм, ответственный за осмос, обычно представлялся в текстах по биологии и химии либо как разбавление воды растворенным веществом (что приводит к снижению концентрации воды на стороне мембраны с более высокой концентрацией растворенного вещества и, следовательно, к диффузии воды по градиенту концентрации), либо как притяжение растворенного вещества к воде (что приводит к снижению 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. [13] Модель «связанной воды» опровергается тем фактом, что осмос не зависит от размера молекул растворенного вещества — коллигативного свойства [14] — или от того, насколько они гидрофильны.
Трудно описать осмос без механического или термодинамического объяснения, но по сути это взаимодействие между растворенным веществом и водой, которое противодействует давлению, которое в противном случае оказывали бы свободные молекулы растворенного вещества. Один факт, который следует принять во внимание, заключается в том, что тепло из окружающей среды может быть преобразовано в механическую энергию (вода поднимается).
Многие термодинамические объяснения уходят в концепцию химического потенциала и в то, как функция воды на стороне раствора отличается от функции чистой воды из-за более высокого давления и присутствия растворенного вещества, противодействующего таким образом, что химический потенциал остается неизменным. Теорема вириала показывает, что притяжение между молекулами (водой и растворенным веществом) уменьшает давление, и, таким образом, давление, оказываемое молекулами воды друг на друга в растворе, меньше, чем в чистой воде, что позволяет чистой воде «заставлять» раствор, пока давление не достигнет равновесия. [14]
Осмотическое давление является основным фактором поддержки во многих растениях. Осмотическое поступление воды повышает тургорное давление, оказываемое на клеточную стенку , пока оно не сравняется с осмотическим давлением, создавая устойчивое состояние . [15]
Когда растительная клетка помещается в гипертонический по отношению к цитоплазме раствор, вода выходит из клетки и клетка сжимается. При этом клетка становится дряблой . В крайних случаях клетка плазмолизуется — клеточная мембрана отделяется от клеточной стенки из-за отсутствия давления воды на нее. [16]
Когда растительную клетку помещают в раствор, который является гипотоническим по отношению к цитоплазме, вода перемещается в клетку, и клетка набухает, становясь тургесцентной . [15]
Осмос также играет важную роль в клетках человека, способствуя перемещению воды через клеточные мембраны. Этот процесс имеет решающее значение для поддержания надлежащей гидратации клеток, поскольку клетки могут быть чувствительны к обезвоживанию или чрезмерному увлажнению. 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. [ необходима цитата ]
В определенных условиях осмос может быть вреден для организмов. Например, пресноводные и морские аквариумные рыбы быстро погибнут, если их поместить в воду с неадаптивной соленостью. Осмотический эффект поваренной соли, убивающий пиявок и слизней, является еще одним примером того, как осмос может причинить вред организмам. [16]
Предположим, что животную или растительную клетку помещают в раствор сахара или соли в воде.
Это означает, что если поместить клетку в раствор, концентрация растворенного вещества в котором выше, чем в ней самой, она сморщится, а если поместить ее в раствор с концентрацией растворенного вещества ниже, чем в ней самой, клетка разбухнет и может даже лопнуть. [ необходима цитата ]
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, необходимое для предотвращения прохождения воды (или любого другого высокотекучего раствора ) через селективно проницаемую мембрану в раствор большей концентрации, эквивалентно осмотическому давлению раствора , или тургору . Осмотическое давление является коллигативным свойством , то есть свойство зависит от концентрации растворенного вещества, но не от его содержания или химической идентичности.
Осмотический градиент — это разница в концентрации между двумя растворами по обе стороны полупроницаемой мембраны , которая используется для определения разницы в процентах концентрации определенной частицы, растворенной в растворе.
Обычно осмотический градиент используется при сравнении растворов, между которыми находится 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 будет равна силе диффузии на гипотонической (стороне с меньшей концентрацией) стороне, создавая равновесие. Когда равновесие достигнуто, вода продолжает течь, но она течет в обоих направлениях в равных количествах и с одинаковой силой, тем самым стабилизируя раствор.
Обратный осмос — это процесс разделения, который использует давление для проталкивания растворителя через полупроницаемую мембрану , которая удерживает растворенное вещество с одной стороны и позволяет чистому растворителю проходить на другую сторону, проталкивая его из области высокой концентрации растворенного вещества через мембрану в область низкой концентрации растворенного вещества путем приложения давления, превышающего осмотическое давление . Этот процесс известен прежде всего своей ролью в превращении морской воды в питьевую, когда соль и другие нежелательные вещества удаляются из молекул воды. [17]
Осмос может использоваться напрямую для отделения воды от раствора, содержащего нежелательные растворенные вещества. Раствор «вытяжки» с более высоким осмотическим давлением, чем исходный раствор, используется для создания чистого потока воды через полупроницаемую мембрану, так что исходный раствор становится концентрированным, а исходный раствор становится разбавленным. Разбавленный исходный раствор может затем использоваться напрямую (как в случае с съедобным растворенным веществом, таким как глюкоза) или направляться на вторичный процесс разделения для удаления исходного растворенного вещества. Это вторичное разделение может быть более эффективным, чем процесс обратного осмоса, в зависимости от используемого исходного растворенного вещества и обработанной исходной воды. Прямой осмос является областью текущих исследований, сосредоточенных на применении в опреснении , очистке воды , обработке воды , пищевой промышленности и других областях изучения.
Будущие разработки в области осмоса и исследования осмоса обещают множество применений. Исследователи изучают передовые материалы для более эффективных осмотических процессов, что приводит к улучшению технологий опреснения и очистки воды. Кроме того, интеграция осмотической генерации энергии, где разница осмотического давления между соленой и пресной водой используется для получения энергии, представляет собой устойчивый и возобновляемый источник энергии со значительным потенциалом. Кроме того, область медицинских исследований изучает инновационные системы доставки лекарств, которые используют осмотические принципы, предлагая 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 воды, генерации энергии и здравоохранения. [18]
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 диаметр или окружающая среда; 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, что должен сообщить о событии, которым я обязан случаю и которое поначалу показалось мне... странным... Я наполнил [алкоголем] цилиндрический флакон, пять дюймов длиной и около одного дюйма в диаметре; и [после] того, как накрыл 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. Через 5 или 6 часов я был очень удивлен, увидев, что флакон был полнее, чем в момент погружения, хотя он [был заполнен] настолько, насколько позволяли его стенки; пузырь, служивший его крышкой, вздулся и стал настолько растянутым, что при прокалывании его иглой из него выходила струя спирта, которая поднималась более чем на фут.
