Осмос - Osmosis

Для использования в других целях см. Осмос (значения).

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

Осмос (/ɒzˈмoʊ.sɪs/)[1] это спонтанное чистое движение растворитель молекул через селективно проницаемая мембрана в область высших растворенное вещество концентрации в направлении, которое стремится уравнять концентрации растворенных веществ с двух сторон.[2][3][4] 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.[5][6] Осмос можно заставить работать.[7] Осмотическое давление определяется как внешний давление необходимо наносить таким образом, чтобы не было чистого движения растворителя через мембрану. Осмотическое давление - это коллигативная собственность, что означает, что осмотическое давление зависит от молярная концентрация растворенного вещества, но не от его личности.

Осмос - жизненно важный процесс в биологические системы, так как биологические мембраны полупроницаемы. Как правило, эти мембраны непроницаемы для больших и полярный молекулы, такие как ионы, белки, и полисахариды, будучи проницаемыми для неполярных или гидрофобный молекулы как липиды а также с небольшими молекулами, такими как кислород, диоксид углерода, азот и оксид азота. 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 распространение и ионные каналы). Осмос является основным средством, с помощью которого воды транспортируется в и из клетки. В тургор Давление в клетке в значительной степени поддерживается за счет осмоса через клеточную мембрану между внутренним пространством клетки и ее относительно гипотонической средой.

История

"эндосмометр "изобрел Датроше.

Некоторые виды осмотического потока наблюдались с древних времен, например, при строительстве египетских пирамид.[8] Жан-Антуан Нолле Первое документальное наблюдение за осмосом в 1748 году.[9] Слово «осмос» происходит от слов «эндосмос» и «экзосмос», которые были придуманы французским врачом. Рене Иоахим Анри Дютроше (1776–1847) от греческих слов ἔνδον (заканчивается в «внутри»), ἔξω (экзо "внешний, внешний") и ὠσμός (Осмос "толчок, толчок").[10] В 1867 г. Мориц Траубе изобрел высокоселективные мембраны для осаждения, 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 ячейка погружена в воды 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 насколько они гидрофильны.

Влияние различных растворов на клетки крови
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 могли бы оказывать свободные молекулы растворенного вещества. Следует обратить внимание на то, что тепло из окружающей среды может преобразовываться в механическую энергию (вода поднимается).

Многие термодинамические объяснения входят в концепцию химический потенциал и 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. В 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 «форсировать» раствор до тех пор, пока давление не достигнет равновесия.[14]

Осмотическое давление является основной причиной поддержки многих растений. Осмотическое поступление воды повышает тургорное давление, оказываемое на клеточная стенка, 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 вялый. В крайних случаях клетка становится плазмолизированный - в клеточная мембрана разъединяется со стенкой ячейки 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 надутый.

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 замыкающие клетки.

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 раствор соли, тем больше разница в размере и весе ломтиков картофеля.

В необычных условиях осмос может быть очень вредным для организмов. Например, пресная вода и морская аквариумная рыба помещенные в воду с соленостью, отличной от той, к которой они приспособлены, быстро умрут, а в случае морских рыб - резко. Другой пример вредного осмотического эффекта - использование поваренной соли для уничтожения пиявки и слизни.

Предположим, что клетка животного или растения помещена в раствор сахара или соли в воде.

  1. Если среда гипотонический относительно цитоплазмы клетки - клетка будет набирать воду посредством осмоса.
  2. Если среда изотонический - не будет чистого движения воды через клеточную мембрану.
  3. Если среда гипертонический относительно цитоплазмы клетки - клетка будет терять воду за счет 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 продемонстрировать 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. В сила на единицу площади или давление, необходимое для предотвращения прохождения воды (или любой другой высокий-ликвидность раствор) через селективно проницаемую мембрану в раствор большей концентрации эквивалентно осмотическому давлению решение, или же тургор. Осмотическое давление это коллигативная собственность, что означает, что свойство зависит от концентрации растворенного вещества, но не от его содержания или химической идентичности.

Осмотический градиент

Осмотический градиент - это разница в концентрации между двумя решения по обе стороны от полупроницаемая мембрана, 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, чтобы заставить растворитель пройти через полупроницаемая мембрана который удерживает растворенное вещество на одной стороне и позволяет чистому растворителю проходить на другую сторону, вынуждая его из области высокой концентрации растворенного вещества через мембрану в область низкой концентрации растворенного вещества за счет 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 раствора для вытяжки и обрабатываемой питательной воды. Прямой осмос область постоянных исследований с упором на приложения в опреснение, очистка воды, очистка воды, переработка пищевых продуктов, и другие области обучения.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ «Значение осмоса в Кембриджском словаре английского языка». Dictionary.cambridge.org.
  2. ^ «Осмос». Оксфордский словарь английского языка (Интернет-ред.). Издательство Оксфордского университета. (Подписка или членство участвующего учреждения требуется.)
  3. ^ Осмос, Encyclopdia Britannica on-line
  4. ^ Хейни, Дональд Т. (2001). Биологическая термодинамика. Кембридж: Издательство Кембриджского университета. стр.130 –136. ISBN  978-0-521-79549-4.
  5. ^ Waugh, A .; Грант, А. (2007). Анатомия и физиология в здоровье и болезни. Эдинбург: Эльзевир. С. 25–26. ISBN  978-0-443-10101-4.
  6. ^ Осмос В архиве 22 февраля 2008 г. Wayback Machine. Гамбургский университет. последнее изменение: 31 июля 2003 г.
  7. ^ «Statkraft построит первый в мире прототип осмотической электростанции». Statkraft. 3 октября 2007 г. Архивировано с оригинал 27 февраля 2009 г.
  8. ^ а б Hammel, H.T .; Шоландер, П.Ф. (1976). Перспективы механизма осмоса и впитывания в: Осмос и растягивающий растворитель. Springer-Verlag, Берлин, Гейдельберг, Нью-Йорк. связь.
  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 г., стр. 57–104; особенно стр. 101–103. В Воспоминания (1748 г.) напечатаны в: Histoire de l’Académie Royale des Sciences Année 1748, который был опубликован в 1752 году и содержит сокращенный вариант статьи Нолле на страницах 10–19.

    Первоначальный 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'en escapeis 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, qu'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 сообщить о событии, которое я обязано случайности и которое сначала показалось мне… странным… Я наполнил [спиртом] цилиндрический флакон, пять дюймов длиной 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 его иглой из него вылетела струя спирта, которая поднялась более чем на фут.

  10. ^ Этимология слова «осмос»:
    • 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 движения живого существа, его природа и способ действия, обнаруженные у растений и животных] (Париж, Франция: Dentu, 1826), стр.115 и 126.
    • Промежуточное слово «осмос» и слово «осмотический» были придуманы шотландским химиком. Томас Грэм. См .: Томас Грэм (1854 г.) «VII. Бейкерская лекция - об осмотической силе», Философские труды Королевского общества (Лондон), т. 144. С. 177–288; см. особенно стр. 177, 178 и 227. См. также: Томас Грэм и Генри Уоттс, Элементы химии: в том числе применение наук в искусстве, 2-е изд. (Лондон, Англия: Ипполит Байер, 1858 г.), т. 2, п. 616.
    • Слово «осмос» впервые появилось в: Jabez Hogg, Микроскоп: история, конструкция и применение ..., 6 изд. (Лондон, Англия: Джордж Рутледж и сыновья, 1867 г.), п. 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. PMID  13831991.
  11. ^ Крамер, Эрик; Дэвид Майерс (2013). «Осмос не вызывается разбавлением водой». Тенденции в растениеводстве. 18 (4): 195–197. Дои: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. Дои:10.1119/1.4722325.
  13. ^ Kosinski, R.J .; К. К. Морлок (2008). «Бросая вызов заблуждениям об осмосе». Ассоциация биологического лабораторного образования. 30: 63–87.
  14. ^ а б Борг, Франк (2003). «Что такое осмос? Объяснение и понимание физического явления». arXiv:физика / 0305011.

внешняя ссылка