Визначення осмосу у хімії

Двома важливими масопереносними процесами в хімії та біології є дифузія та осмос.

Осмос Визначення

Осмос - це процес, при якому молекули розчинника переміщуються через напівпроникну мембрану з розведеного розчину більш концентрований розчин (який стає більш розбавленим). Найчастіше розчинником є ​​вода. Однак розчинником може бути інша рідина чи навіть газ. Осмос можна змусити працювати.

Історія

Явище осмосу було вперше задокументовано 1748 року Жаном-Антуаном Нолле. Термін «осмос» був запроваджений французьким лікарем Рене Жоахімом Анрі Дютроше, який отримав його від термінів «ендосмос» та «екзосмоз».

Як працює осмос

Осмос діє для вирівнювання концентрації з обох боків мембрани. Оскільки частинки розчиненої речовини не можуть перетнути мембрану, вода (або інший розчинник) повинна рухатися. Чим ближче система підходить до рівноваги, тим стабільнішою вона стає, тому осмос термодинамічно вигідний.

Приклад осмосу

Хороший приклад осмосу можна побачити, коли еритроцити поміщають у прісну воду. Клітинна мембрана еритроцитів є напівпроникною мембраною. Концентрація іонів та інших молекул розчиненої речовини всередині клітини вище, ніж зовні, тому вода проникає у клітину за допомогою осмосу. Це призводить до набухання клітин. Оскільки концентрація не може досягти рівноваги, кількість води, яка може потрапити в клітину, обмежується тиском клітинної мембрани, що діє на вміст клітини. Часто клітина поглинає більше води, ніж може витримати мембрана, що зумовлює розрив клітини.

Споріднений термін осмотичний тиск. Осмотичний тиск - це зовнішній тиск, який необхідно додати, щоб не було чистого руху розчинника через мембрану.

Осмос

Осмос (від грец. ὄσμος - поштовх, тиск) - процес односторонньої дифузії через напівпроникну мембрану молекул розчинника у бік більшої концентрації розчиненої речовини (меншої концентрації розчинника).

Більш широке тлумачення явища осмосу ґрунтується на застосуванні Принципу Ле Шательє — Брауна: якщо на систему, яка перебуває у стійкій рівновазі, впливати ззовні, змінюючи якусь із умов рівноваги (температура, тиск, концентрація, зовнішнє електромагнітне поле), то в системі посилюються процеси , Спрямовані на компенсацію зовнішнього впливу.

Історія

Вперше осмос спостерігав А. Нолле в 1748, проте дослідження цього явища було розпочато через сторіччя.

Суть процесу

Мал. 1. Осмос через напівпроникну мембрану. Частинки розчинника (сині) здатні перетинати мембрану, частки розчиненої речовини (червоні) – ні.

Явище осмосу спостерігається у тих середовищах, де рухливість розчинника більша за рухливість розчинених речовин. Важливим окремим випадком осмосу є осмос через напівпроникну мембрану. Напівпроникними називають мембрани, які мають досить високу проникність не для всіх, а лише для деяких речовин, зокрема для розчинника. (Рухливість розчинених речовин у мембрані прагне нуля). Як правило, це пов'язано з розмірами та рухливістю молекул, наприклад, молекула води менша за більшість молекул розчинених речовин.Якщо така мембрана розділяє розчин і чистий розчинник, то концентрація розчинника в розчині виявляється менш високою, оскільки частина його молекул заміщена на молекули розчиненої речовини (див. рис. 1). Внаслідок цього переходи частинок розчинника з відділу, що містить чистий розчинник, в розчин відбуватимуться частіше, ніж у протилежному напрямку. Відповідно, обсяг розчину збільшуватиметься (а концентрація речовини зменшуватиметься), тоді як обсяг розчинника відповідно зменшуватиметься.

Наприклад, до яєчної шкаралупи з внутрішньої сторони прилягає напівпроникна мембрана: вона пропускає молекули води та затримує молекули цукру. Якщо такою мембраною розділити розчини цукру з концентрацією 5 і 10 % відповідно, через неї в обох напрямках проходитимуть лише молекули води. У результаті більш розбавленому розчині концентрація цукру підвищиться, а більш концентрованому, навпаки, знизиться. Коли концентрація цукру в обох розчинах стане однаковою, настане рівновага. Розчини, що досягли рівноваги, називаються ізотонічними. Якщо вжити заходів, щоб концентрації не змінювалися, осмотичний тиск досягне постійної величини, коли зворотний потік молекул води зрівняється з прямим.

Осмос, спрямований всередину обмеженого об'єму рідини, називається ендосмосом, назовні екзомосом. Перенесення розчинника через мембрану обумовлено осмотичним тиском. Цей осмотичний тиск виникає відповідно до Принципу Ле Шательє через те, що система намагається вирівняти концентрацію розчину в обох середовищах, розділених мембраною, і описується другим законом термодинаміки.Воно дорівнює надмірному зовнішньому тиску, який слід прикласти з боку розчину, щоб припинити процес, тобто створити умови осмотичної рівноваги. Перевищення надлишкового тиску над осмотичним може призвести до звернення осмосу – зворотної дифузії розчинника.

У випадках, коли мембрана проникна не тільки для розчинника, але і для деяких розчинених речовин, перенесення останніх з розчину в розчинник дозволяє здійснити діаліз, який застосовується як спосіб очищення полімерів та колоїдних систем від низькомолекулярних домішок, наприклад електролітів.

Значення осмосу

Осмос відіграє у багатьох біологічних процесах. Мембрана, що оточує нормальну клітину крові, проникна лише для молекул води, кисню, деяких із розчинених у крові поживних речовин та продуктів клітинної життєдіяльності; для великих білкових молекул, що у розчиненому стані всередині клітини, вона непроникна. Тому білки, такі важливі для біологічних процесів, залишаються усередині клітини.

Осмос бере участь у перенесенні поживних речовин у стовбурах високих дерев, де капілярне перенесення не здатне виконати цю функцію.

Осмос широко використовують у лабораторній техніці: щодо молярних характеристик полімерів, концентруванні розчинів, дослідженні різноманітних біологічних структур. Осмотичні явища іноді використовуються в промисловості, наприклад, при отриманні деяких полімерних матеріалів, очищенні високо-мінералізованої води методом зворотного осмосу рідин.

Клітини рослин використовують осмос також збільшення обсягу вакуолі, щоб вона розпирала стінки клітини (тургорний тиск).Клітини рослин роблять це шляхом запасання сахарози. Збільшуючи або зменшуючи концентрацію сахарози у цитоплазмі, клітини можуть регулювати осмос. За рахунок цього підвищується еластичність рослини в цілому. Зі змінами тургорного тиску пов'язані багато рухів рослин (наприклад, рухи вусів гороху та інших рослин, що лазять). Прісноводні найпростіші також мають вакуоль, але завдання найпростіших вакуолей полягає лише у відкачуванні зайвої води з цитоплазми для підтримки постійної концентрації розчинених у ній речовин.

Осмос також відіграє велику роль в екології водойм. Якщо концентрація солі та інших речовин у воді підніметься або впаде, то мешканці цих вод загинуть через згубний вплив осмосу.

Використання в промисловості

Перша у світі електростанція - прототип, що використовує для вироблення електрики явище осмосу, запущена компанією Statkraft 24 листопада 2009 в Норвегії поблизу міста Тофте. Солона морська та прісна вода на електростанції розділені мембраною; оскільки концентрація солей у морській воді вище, між солоною водою моря та прісною водою фіорду розвивається явище осмосу, - постійний потік молекул води через мембрану у бік солоної води. Внаслідок чого тиск солоної води зростає. [1] Цей тиск відповідає тиску стовпа води в 120 метрів заввишки, тобто досить високого водоспаду. Потік води достатній, щоб привести в дію гідротурбіну, що виробляє енергію. [2] Виробництво має обмежений характер, основна мета - тестування обладнання. Найбільш проблематичний компонент електростанції – мембрани. За оцінками фахівців Statkraft світове виробництво може становити від 1 600 до 1 700 TWh, що можна порівняти зі споживанням Китаю в 2002.Обмеження пов'язане з принципом дії - подібні електростанції можуть бути збудовані тільки на морському узбережжі. [3] Не вічний двигун, джерелом енергії є енергія сонця. Сонячне тепло відокремлює воду від моря при випаровуванні та за допомогою вітру переносить на сушу. Потенційна енергія використовується на гідроелектростанціях, а хімічна енергія довго залишалася поза увагою.

Примітки

Посилання