Осмотическое давление: различия между версиями

Мера градиента осмотического давления, то есть различия водного потенциала двух растворов, разделённых полупроницаемой мембраной, называется '''''[[тоничность]]ю'''''. Раствор, имеющий более высокое осмотическое давление по сравнению с другим раствором, называется гипертоническим, имеющий более низкое  — гипотоническим.

Если же подобный раствор находится в замкнутом пространстве, например, в [[клетка|клетке]] [[кровь|крови]], то осмотическое давление может привести к разрыву клеточной мембраны. Именно по этой причине [[лекарства]], предназначенные для введения в кровь, растворяют в [[Физиологический раствор|изотоническом растворе]], содержащем столько [[хлорид натрия|хлорида натрия]] (поваренной соли), сколько нужно, чтобы уравновесить создаваемое клеточной жидкостью осмотическое давление. Если бы вводимые лекарственные препараты были изготовлены на воде или очень сильно разбавленном (''гипотоническом'' по отношению к [[Цитоплазма|цитоплазме]]) растворе, осмотическое давление, заставляя воду проникать в клетки крови, приводило бы к их разрыву. Если же ввести в кровь слишком концентрированный раствор хлорида натрия (3-5-103—10 %, ''гипертонические'' растворы), то вода из клеток будет выходить наружу, и они сожмутся. В случае [[Растения|растительных]] клеток происходит отрыв [[протопласт]]а от [[Клеточная оболочка|клеточной оболочки]], что называется [[плазмолиз]]ом. Обратный же процесс, происходящий при помещении сжавшихся клеток в более разбавленный раствор, — соответственно, [[деплазмолиз]]ом.

: <math> \pi = i \cdot C \cdot R \cdot T</math> ,

где i — [[изотонический коэффициент]] раствора; C — [[молярная концентрация]] раствора, выраженная через комбинацию основных [[Единица измерения|единиц]] [[СИ]], то есть, в моль/м³, а не в привычных моль/л³; R — [[универсальная газовая постоянная]]; T — термодинамическая [[Температура#Единицы и шкала измерения температуры|температура]] раствора.

Осмотическое давление, которое зависит от содержания в растворе белков, называется ''онкотическим'' (0,03 — 003—0,04 атм.). При длительном голодании, болезни почек концентрация белков в крови уменьшается, онкотическое давление в крови снижается и возникают ''онкотические отёки'': вода переходит из сосудов в ткани, где ''π_ОНК'' больше. При гнойных процессах ''π_ОНК'' в очаге воспаления возрастает в 2-32—3 раза, так как увеличивается число частиц из-за разрушения [[Белки|белков]].

В организме осмотическое давление должно быть постоянным (≈около 7,7 [[атм]].). Поэтому пациентам вводят изотонические растворы (растворы, осмотическое давление которых равно ''π_{ПЛАЗМЫплазмы}'' ≈ 7,7 атм. (0,9 % NaCl — физиологический раствор, 5 % раствор [[Глюкоза|глюкозы]]). Гипертонические растворы, у которых π больше, чем ''π_{ПЛАЗМЫплазмы}'', применяются в медицине для очистки ран от гноя (10 % [[Хлорид натрия|NaCl]]), для удаления аллергических отёков (10 % [[Хлорид кальция|CaCl₂]], 20 % [[глюкоза]]), в качестве слабительных лекарств ([[Глауберова соль|Na₂SO₄∙10H₂O]], [[Английская соль|MgSO₄∙7H₂O]]).

== Обоснование формулы Я.Вант-Гоффа с термодинамических позиций ==

В растворе свободная энергия <math>G=G^{0}+RTlnx_A+\pi V_C, </math>, где <math>x_A</math> - — молярная часть раствора, <math>V_C</math> - — его мольный объем. Появление члена <math>\pi V_C</math> эквивалентно внесению в свободную энергию внешнего давления. При равновесии <math>\nabla G</math> для растворителя равно нулю. Таким образом,

: <math>0=\nabla G=G^{0}+RT ln x_A +\pi V_C-G^{0}=RT ln x_A + \pi V_C,</math>

откуда:

: <math>\pi=-\frac{RT}{V_C}ln(1-x_B)\cong\frac{RT}{V_C}x_B\cong\frac{RT}{V_C}\frac{n_B}{n_A}\cong RT\frac{n_B}{V}=cRT,</math>

то есть, получена формула Я. Вант-Гоффа (<math>\pi=cRT</math>).

При её выведении высчитано, что <math>x_B</math> - — малая величина. Это позволяет разложить <math>ln(1-x_B)</math> в ряд и далее применить соотношение <math>x_B\cong\frac{n_B}{n_A}.</math> Произведение <math>n_AV_C</math> в разбавленных растворах практически равно объему раствора.

Пфеффер с помощью осмометра, в котором в качества полупроницаемой мембраны использовался пористый фарфор, обработанный <math>Cu_2Fe(CN)_6</math>, исследовал осмотическое давление водных растворов тростникового сахара. На основе этих измерений Вант-Гофф (в 1885) году предложил эмпирическое уравнение, которому подчиняется осмотическое давление <math>\pi</math> разведенных растворов:

: <math>\pi=cRT</math>,

</math> где c=n/V - — концентрация растворенного вещества, моль/м^3³.

Уравнение Вант-Гоффа можно несколько преобразовать, подставляя вместо концентрации <math>c_i=n_i/V=m_i/M_iV:</math>:

: <math>\pi=c_iRT=\frac{m_i}{M_iV}RT,</math> ,

где <math>m_i</math> - — массовая концентрация растворенного вещества; <math>M_i</math> - — его молекулярная масса.

=== Роль осмоса в биологических системах ===

Осмотическое давление отыгрывает роль механизма, который подает нутриенты клеткам; у высоких деревьев последние поднимаются на высоту нескольких десятков метров, что соответствует осмотическому давлению в несколько десятков атмосфер. Типовые клетки, сформировавшиеся с протоплазматических мешков, наполненных водными растворами разных веществ (клеточный сок), имеют определенное значение для давления, величина которого измеряется в пределах 0,4-24—2 МПа.

* Детлаф А. А., Яворский Б. М. Курс физики: Учебное пособие для вузов — МоскваМ.: Высшая школа, 1989. — сС. 113.