Осмос
Осмос ( / ɒ z ˈ m oʊ s ɪ s / , США также / ɒ s -/ ) [1] - это спонтанное чистое движение или диффузия молекул растворителя через избирательно проницаемую мембрану из области с высоким водным потенциалом (область с более низкой концентрацией растворенного вещества ) в область с низким водным потенциалом (область с более высокой концентрацией растворенного вещества), [2] в направлении, которое стремится уравнять концентрации растворенных веществ 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 растворенного вещества), разделяющую два раствора с разными концентрациями. [6] [7] Осмос можно заставить работать . [8] Осмотическое давление определяется как внешнее давление, необходимое для предотвращения 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 и из них в клетки . Тургорное давление клетки в значительной степени поддерживается за счет осмоса через клеточную мембрану между внутренней частью клетки и ее относительно гипотонической средой.
История
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] [а] Слово «осмос» происходит от слов «эндосмос» и «экзосмос», которые были придуманы французским врачом Рене Иоахимом Анри Дютроше (1776–1847) из греческих слов ἔνδον ( éndon «внутри»), ἔξω ( éxō «внешний», внешний») и ὠσμός ( ōsmós «толчок, импульс»). [n 1] В 1867 году Мориц Траубе изобрел высокоселективные преципитационные мембраны, что способствовало развитию искусства и техники измерения осмотического потока. [9]
Описание
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. [11] [12]
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, если ломтики картофеля добавить 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
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. [13] Модель «связанной воды» опровергается тем фактом, что осмос не зависит от размера молекул растворенного вещества - коллигативного свойства. [14] — или 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. [14]
Роль в живых существах
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 . [15]
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. [16]
Когда растительная клетка помещается в гипотонический по отношению к цитоплазме раствор, вода проникает в клетку, и клетка набухает, становясь набухающей . [15]
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. [ нужна ссылка ]
В определенных средах осмос может быть вредным для организмов. пресноводные и морские аквариумные рыбы Например, быстро погибнут, если их поместить в воду с неадекватной соленостью. Осмотический эффект поваренной соли в уничтожении пиявок и слизней является еще одним примером того, как осмос может нанести вред организмам. [16]
Предположим, животную или растительную клетку поместили в раствор сахара или соли в воде.
- Если среда гипотонична по отношению к цитоплазме клетки, клетка будет получать воду посредством осмоса.
- Если среда изотоническая , то чистого движения воды через клеточную мембрану не будет.
- Если среда гипертонична по отношению к цитоплазме клетки, клетка будет терять воду за счет осмоса.
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. . [ нужна ссылка ]
Факторы
 |
Осмотическое давление
Осмосу можно противостоять, увеличивая давление в области высокой концентрации растворенного вещества по сравнению с давлением в области низкой концентрации растворенного вещества. Сила ликвидностью на единицу площади, или давление, необходимая для предотвращения прохождения воды (или любого другого раствора с высокой ) через избирательно проницаемую мембрану в раствор большей концентрации, эквивалентна осмотическому давлению раствора , или тургору . Осмотическое давление — это коллигативное свойство , означающее, что это свойство зависит от концентрации растворенного вещества, а не от его содержания или химической идентичности.
Осмотический градиент
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.
Вариация
Обратный осмос
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. [17]
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 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, в которых особое внимание уделяется применению в опреснении , очистке воды , водоподготовке , пищевой промышленности и других областях исследований.
Будущие разработки в области осмоса
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. [18]
См. также
Примечания
- ↑ История Королевской академии наук за 1748 год , опубликованная в 1752 году, содержит сокращенную версию статьи Нолле на страницах 10–19.
Оригинальный текст :
Прежде чем закончить эти мемуары, я считаю, что должен объяснить факт, который я обязан случайности и который показался мне сначала... необычным... Я наполнил цилиндрический флакон длиной пять дюймов и диаметром в дюйм. или около того; и, накрыв его куском влажного пузыря и привязав к горлышку сосуда, я погрузил его в большую вазу, полную воды, чтобы быть уверенным, что воздух не проникнет в винный дух. Через пять или шесть часов я весьма удивился, увидев, что пузырек оказался более полным, чем в момент его погружения, хотя тогда он был настолько полным, насколько позволяли его края; мочевой пузырь, служивший пробкой, стал выпуклым и настолько напряженным, что, если его проткнуть булавкой, вытекла струя жидкости, поднявшаяся более чем на фут высотой.Перевод :
Прежде чем закончить эти мемуары, я думаю, мне следует сообщить о событии, которое я обязан случаю и которое сначала показалось мне… странным… Я наполнил [спиртом] цилиндрический пузырек длиной пять дюймов и диаметром около одного дюйма; 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. По прошествии 5 или 6 часов я был очень удивлен, увидев, что пузырек оказался полнее, 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 проткнуть иглой, из него пошла струя спирта, поднявшаяся более чем на фут высотой.
- ^ Этимология слова «осмос»:
- Анри Дютроше, Непосредственный агент живого движения, его природа и способ действия, выявленные у растений и животных (Париж), Франция: Dentu, 1826), с. 115 и 126.
- Промежуточное слово «осмос» и слово «осмотический» были придуманы шотландским химиком Томасом Грэмом . См.: Томас Грэм (1854 г.) «VII. Бейкеровская лекция - об осмотической силе», Philosophical Transactions of the Royal Society (London) , vol. 144, стр. 177–288; особенно см. стр. 177, 178 и 227. См. также: Томас Грэм и Генри Уоттс , Элементы химии: включая применение наук в искусстве , 2-е изд. (Лондон, Англия: Ипполит Байьер, 1858 г.), том. 2, с. 616 .
- Слово «осмос» впервые появилось в: Джабез Хогг , Микроскоп: его история, конструкция и применение... , 6-е изд. (Лондон, Англия: Джордж Рутледж и сыновья, 1867), с. 226 .
- Этимология слова «осмос» обсуждается в: Гомер В. Смит (1960). «I. Теория решений: знание законов решений» . Тираж . 21 (5): 808–817 (810). дои : 10.1161/01.CIR.21.5.808 . ПМИД 13831991 .
Ссылки
- ^ Джонс, Дэниел (2011). Роуч, Питер ; Сеттер, Джейн ; Эслинг, Джон (ред.). Кембриджский словарь английского произношения (18-е изд.). Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-0-521-15255-6 .
- ^ «Осмос | Примечания к уровню» .
- ^ «Осмос» . Оксфордский словарь английского языка (онлайн-изд.). Издательство Оксфордского университета . (Требуется подписка или членство участвующей организации .)
- ^ Осмос , Британская энциклопедия онлайн.
- ^ Хейни, Дональд Т. (2001). Биологическая термодинамика . Кембридж: Издательство Кембриджского университета. стр. 130–136 . ISBN 978-0-521-79549-4 .
- ^ Во, А.; Грант, А. (2007). Анатомия и физиология в здоровье и болезни . Эдинбург: Эльзевир. стр. 25–26. ISBN 978-0-443-10101-4 .
- ^ Осмос. Архивировано 22 февраля 2008 года в Wayback Machine . Университет Гамбурга. последнее изменение: 31 июля 2003 г.
- ^ «Statkraft построит первый в мире прототип осмотической электростанции» . Статкрафт . 3 октября 2007 г. Архивировано из оригинала 27 февраля 2009 г.
- ^ Jump up to: а б Хаммель, ХТ; Шоландер, П.Ф. (1976). Перспективы механизма осмоса и имбибиции. В книге: Осмос и растворитель на растяжение . Springer-Verlag, Берлин, Гейдельберг, Нью-Йорк. связь .
- ^ Аббат Нолле (июнь 1748 г.). «Исследования причин кипения жидкостей» . Мемуары Королевской академии наук : 57–104 (см. стр. 101–103) . Проверено 13 июля 2024 г.
- ^ Крамер, Эрик; Дэвид Майерс (2013). «Осмос не обусловлен разбавлением воды». Тенденции в науке о растениях . 18 (4): 195–197. Бибкод : 2013TPS....18..195K . doi : 10.1016/j.tplants.2012.12.001 . ПМИД 23298880 .
- ^ Крамер, Эрик; Дэвид Майерс (2012). «Пять популярных заблуждений об осмосе» . Американский журнал физики . 80 (694): 694–699. Бибкод : 2012AmJPh..80..694K . дои : 10.1119/1.4722325 .
- ^ Косински, Р.Дж.; К. К. Морлок (2008). «Разоблачение заблуждений об осмосе». Ассоциация биологического лабораторного образования . 30 : 63–87.
- ^ Jump up to: а б Борг, Фрэнк (2003). «Что такое осмос? Объяснение и понимание физического явления». arXiv : физика/0305011 .
- ^ Jump up to: а б «2.1: Осмос» . Свободные тексты по биологии . 19 сентября 2016 года . Проверено 10 марта 2024 г.
- ^ Jump up to: а б Сучер, Николаус. 7. Обмен между клетками и окружающей их средой | Лабораторное руководство по биологии SCI103 I в Общественном колледже Роксбери .
- ^ Панагопулос, Аргирис; Хараламбус, Кэтрин-Джоанна; Лоизиду, Мария (25 ноября 2019 г.). «Методы утилизации и технологии очистки опреснительных рассолов. Обзор». Наука об общей окружающей среде. 693: 133545. Бибкод:2019ScTEn.693m3545P. doi:10.1016/j.scitotenv.2019.07.351. ISSN 0048-9697. PMID 31374511. S2CID 199387639.
- ^ Цинь, Цзянь-Цзюнь; Лэй, Уинсон Чи Лунг; Кекре, Киран Арун (февраль 2012 г.). «Последние разработки и будущие проблемы прямого осмоса для опреснения: обзор» . Опреснение и очистка воды . 39 (1–3): 123–136. Бибкод : 2012DWatT..39..123Q . дои : 10.1080/19443994.2012.669167 . ISSN 1944-3994 .
Внешние ссылки
