Osmoză

Osmoză (din greacă ὄσμος - împingere, presiune) - transfer (difuzie) spontan al unui solvent printr-o membrană semipermeabilă care nu permite trecerea solutului și separă două soluții ale aceleiași substanțe cu concentrații diferite, sau un solvent pur și o soluție . Osmoza aduce sistemul mai aproape de echilibru ca urmare a egalizării concentrațiilor pe ambele părți ale partiției - solventul difuzează în direcția de la o soluție diluată sau un solvent pur la o soluție mai concentrată.

O interpretare mai amplă a fenomenului de osmoză se bazează pe aplicarea principiului Le Chatelier-Brown: dacă un sistem aflat în echilibru stabil este acționat din exterior, modificând oricare dintre condițiile de echilibru (temperatura, presiune, concentrație, câmp electromagnetic extern). ), apoi procesele din sistem cresc pentru a compensa influențele externe.

Istoria descoperirii osmozei

Osmoza a fost descoperită de naturalistul francez J.-A. Nollet (1748); prima măsurare a presiunii osmotice a fost făcută de W. Pfeffer (1877).

Esența procesului

Fenomenul de osmoză se observă în acele medii în care mobilitatea solventului este mai mare decât mobilitatea substanțelor dizolvate. Un caz special important de osmoză este osmoza printr-o membrană semipermeabilă. Se numesc membrane semi-permeabile, care au o permeabilitate suficient de mare nu pentru toate, ci numai pentru unele substanțe, în special pentru un solvent. (Mobilitatea substanțelor dizolvate în membrană este relativ scăzută). De regulă, acest lucru se datorează dimensiunii și mobilității moleculelor, de exemplu, o moleculă de apă este mai mică decât majoritatea moleculelor de substanțe dizolvate. Dacă o astfel de membrană separă soluția și solventul pur, atunci concentrația solventului în soluție este mai puțin ridicată, deoarece unele dintre moleculele sale sunt înlocuite de moleculele solutului. Ca rezultat, tranzițiile particulelor de solvent din secțiunea care conține solventul pur în soluție vor avea loc mai des decât în ​​direcția opusă. În consecință, volumul soluției va crește (și concentrația substanței va scădea), în timp ce volumul solventului pur va scădea în mod corespunzător.

De exemplu, o membrană semi-permeabilă este atașată de coajă de ou din interior: permite trecerea moleculelor de apă și reține moleculele de zahăr. Dacă o astfel de membrană separă soluțiile de zahăr cu o concentrație de 5 și, respectiv, 10%, atunci numai moleculele de apă vor trece prin ea în ambele direcții. Ca urmare, într-o soluție mai diluată, concentrația de zahăr va crește, iar într-una mai puțin diluată, dimpotrivă, va scădea. Când concentrația de zahăr din ambele soluții devine aceeași, echilibrul va ajunge. Soluțiile care au ajuns la echilibru se numesc izotonice. Dacă se are grijă ca concentrațiile să nu se modifice, presiunea osmotică va atinge o valoare constantă atunci când fluxul invers al moleculelor de apă devine egal cu cel direct.

Osmoza direcționată în interiorul unui volum limitat de lichid se numește endosmoză, spre exterior - exosmoză. Transportul unui solvent prin membrană este determinat de presiunea osmotică. Această presiune osmotică apare conform principiului lui Le Chatelier datorită faptului că sistemul încearcă să egaleze concentrația soluției în ambele medii separate de o membrană și este descrisă de a doua lege a termodinamicii. Este egal cu excesul de presiune externă care ar trebui aplicată din partea soluției pentru a opri procesul, adică pentru a crea condiții pentru echilibrul osmotic. Depășirea presiunii în exces față de presiunea osmotică poate duce la inversarea osmozei - difuzia inversă a solventului.

În cazurile în care membrana este permeabilă nu numai la solvent, ci și la unele substanțe dizolvate, transferul acestora din urmă din soluție în solvent face posibilă efectuarea dializei, care este utilizată ca metodă de purificare a polimerilor și a sistemelor coloidale din impurități cu molecularitate scăzută, cum ar fi electroliții.

Valoarea osmozei

• Elasticitate, turgescență celulară: Celulele vegetale folosesc osmoza pentru a crește volumul vacuolei, astfel încât să extindă pereții celulari (presiune de turgență). Celulele vegetale fac acest lucru prin depozitarea zaharozei. Prin creșterea sau scăderea concentrației de zaharoză din citoplasmă, celulele pot regla osmoza. Datorită acestui fapt, elasticitatea plantei în ansamblu crește. Multe mișcări ale plantelor sunt asociate cu modificări ale presiunii turgenței (de exemplu, mișcări ale mustăților de mazăre și ale altor plante cățărătoare);
• Elasticitatea țesuturilor, forma organelor;
• Asimilarea alimentelor, formarea limfei, urinei, fecalelor;
• Acțiunea medicamentelor;
• Datorită osmozei, apa din organism este distribuită între sânge, țesuturi, celule: Osmoza joacă un rol important în multe procese biologice. Membrana din jurul unei celule sanguine normale este permeabilă doar la moleculele de apă, oxigen, unele dintre substanțele nutritive dizolvate în sânge și deșeurile celulare; pentru moleculele mari de proteine ​​care sunt în stare dizolvată în interiorul celulei, este impenetrabilă. Prin urmare, proteinele atât de importante pentru procesele biologice rămân în interiorul celulei;
• Osmoza este implicată în transportul nutrienților în trunchiurile copacilor înalți, unde transportul capilar nu este capabil să îndeplinească această funcție;
• Din cele mai vechi timpuri, omenirea, deși nu înțelege semnificația fizică, a folosit efectul osmozei în procesul de sărare a alimentelor. Ca rezultat, a avut loc plasmoliza celulelor patogene;
• Osmoza este utilizată pe scară largă în tehnologia de laborator: în determinarea caracteristicilor molare ale polimerilor, concentrarea soluțiilor și studierea diferitelor structuri biologice. Fenomenele osmotice sunt uneori folosite în industrie, de exemplu, la producerea anumitor materiale polimerice, la purificarea apei foarte mineralizate prin metoda osmozei inverse a lichidelor;
• Protozoarele de apă dulce au și o vacuole, dar sarcina vacuolelor de protozoare este doar de a pompa excesul de apă din citoplasmă pentru a menține o concentrație constantă de substanțe dizolvate în ea;

Rolul în ființe vii

Presiunea osmotică este principalul agent de sprijin în multe plante. Intrarea osmotică a apei crește presiunea de turgescență exercitată împotriva peretelui celular, până la egalarea presiunii osmotice, creând o stare de echilibru.

Când o celulă vegetală este plasată într-o soluție care este hipertonică în raport cu citoplasma, apa iese din celulă și celula se micșorează. Făcând acest lucru, celula devine flască. În cazuri extreme, celula devine plasmolizată - membrana celulară se decuplează de peretele celular din cauza lipsei de presiune a apei asupra acesteia.

Când o celulă vegetală este plasată într-o soluție care este hipotonică în raport cu citoplasma, apa se deplasează în celulă și celula se umflă pentru a deveni turgentă.

Osmoza este responsabilă pentru capacitatea rădăcinilor plantelor de a extrage apă din sol. Plantele concentrează substanțele dizolvate în celulele lor radiculare prin transport activ, iar apa intră în rădăcini prin osmoză. Osmoza este, de asemenea, responsabilă pentru controlul mișcării celulelor de gardă.

În medii neobișnuite, osmoza poate fi foarte dăunătoare organismelor. De exemplu, peștii de acvariu de apă dulce și sărată plasați în apă cu o salinitate diferită de cea la care sunt adaptați vor muri rapid, iar în cazul peștilor de apă sărată, dramatic. Un alt exemplu de efect osmotic dăunător este utilizarea sării de masă pentru a ucide lipitori și melci.

Să presupunem că o celulă animală sau vegetală este plasată într-o soluție de zahăr sau sare în apă.

Dacă mediul este hipoton în raport cu citoplasma celulară, celula va câștiga apă prin osmoză.

Dacă mediul este izotonic, nu va exista nicio mișcare netă a apei prin membrana celulară.

Dacă mediul este hipertonic în raport cu citoplasma celulară, celula va pierde apă prin osmoză.

Aceasta înseamnă că, dacă o celulă este pusă într-o soluție care are o concentrație de substanță dizolvată mai mare decât a ei, ea se va zgâri, iar dacă este pusă într-o soluție cu o concentrație mai mică de substanță dizolvată decât a ei, celula se va umfla și poate chiar să izbucnească. 

Bibliografie

1. Waugh, A.; Grant, A. (2007). Anatomy and Physiology in Health and Illness. Edinburgh: Elsevier. pp. 25–26.
2. Kramer, Eric; David Myers (2013). "Osmosis is not driven by water dilution". Trends in Plant Science. 18 (4): 195–197.
3. Melvin-Hughes E. A. Physical chemistry, trans. from English, book. 1-2. - M., 1962.