Осмос

Визначення осмосу

Осмос - це спонтанне проходження розчинника (яким у біологічних системах зазвичай є вода), від розчину, у якому розчинені речовини більш розведені, до того, в якому вони більш концентровані; цей рух - що відбувається через напівпроникну мембрану - триває до тих пір, поки не буде досягнуто рівноважної ситуації, коли обидва розчини набирають і підтримують однакову концентрацію.

Практичний приклад

Щоб краще прояснити поняття осмосу, уявімо, що у нас ємність, розділена на два відділення однакового об’єму (А і В) напівпроникною мембраною (тобто проникною лише для розчинника - в даному випадку для води, а не для розчинена речовина). У відділенні А є водний розчин, у якому розчинена столова ложка глюкози, тоді як у частині В ми маємо водний розчин однакового об’єму, в якому розчинено три столові ложки глюкози (тому вона більш концентрована). різниця створює градієнт концентрації глюкози на боках мембрани, і оскільки цей цукор не може її перетнути, рівновага досягається при проходженні води з відсіку А (де глюкоза більш розведена) до відділення В (де його більше ). Якщо ви віддаєте перевагу, можна також сказати, що вода проходить осмосом від розчину, в якому вона більш концентрована (А), до того, в якому вона менш концентрована (В).

Після цього потоку рівень води в В зростає і знижується в А, створюючи певну різницю рівнів між ними. Це явище припиняється, коли два розчини досягають однакової концентрації, зберігаючи її постійною.

Гіпотонічні, ізотонічні та гіпертонічні розчини

Беручи два розчини з різною молярною концентрацією (різну кількість частинок, розчинених у них), розчин з найменшою молярною концентрацією визначається як гіпотонічний, а більш концентрований - гіпертонічний. Натомість два розчини є ізотонічними (або еквімолярними), коли вони мають однакову концентрацію.

У щойно зробленому прикладі розчин В є гіпертонічним (тому він містить більше розчинених речовин), ніж інший (визначений як гіпотонічний); тому за нормальних умов розчинник переміщується осмосом з гіпотонічного в гіпертонічний розчин. Ми говорили про стандартні умови, тому що, граючи із законами фізики, можна перекинути саму концепцію осмосу та сприяти переходу розчинника від найбільш розведеної концентрації до найбільш концентрованої (зворотний осмос).

Осмотичний тиск і зворотний осмос

Як було висловлено до цього часу, чистий потік розчинника - генерований осмосом - триває, поки обидва розчини не досягнуть однакової концентрації. Ну, цей рух можна протидіяти, зупинити або навіть скасувати, натиснувши на відділення з найбільшою концентрацією.

У попередньому прикладі достатньо помістити поршень у відсік В (який, як ми пам’ятаємо, має більшу концентрацію) і натиснути його з певною силою вниз, щоб сприяти проходженню води до А; у цьому випадку ми говоримо про зворотний осмос.

Осмотичний тиск - це тиск, який прямо протистоїть проходженню розчинника через напівпроникну мембрану; отже, це тиск, необхідний для протидії осмосу.

Для всього сказаного досі два ізотонічних розчину мають однаковий осмотичний тиск; тому слід підкреслити, що осмотичний тиск залежить виключно від кількості частинок, присутніх у розчині, а не від їх природи.

Осмос і організм людини

Плазматичні мембрани, що оточують клітини людського тіла, насправді є напівпроникними мембранами, які дозволяють прямому проходженню через осмос невеликих молекул (таких як вода та сечовина), але не тих, що мають більшу молекулярну масу ( такі як білки, амінокислоти та цукор). Тому осмотичний баланс в рідинах організму необхідний для гарантування клітинам оптимального середовища для життя.

Якщо ми візьмемо клітину, як еритроцит, і зануримо її в гіпотонічний розчин, вона через осмосу зазнає набряку (викликаного потраплянням води), що навіть може призвести до його вибуху. Навпаки, якщо занурити його в гіпертонічний розчин, в якому клітина зазнає, через проходження води назовні, сильного зневоднення, що викликає її зморшкування. На щастя, в організмі людини клітини занурені в ізотонічні розчини щодо їх внутрішнього середовища, і існують різні системи для утримання цих рідин в осмотичній рівновазі.

Осмотичний тиск і зберігання продуктів

Давайте на хвилинку подумаємо про домашнє варення ... цукру додають у великій кількості не тільки для поліпшення його смаку, але і, насамперед, для збільшення терміну придатності. Тим не менш, цукор є важливим елементом для життя багатьох мікроорганізмів, які беруть участь у розкладанні продукту. Це очевидне протиріччя розбирається самою концепцією осмосу.

Якщо застосувати цей закон до варення, насправді, оскільки його осмотичний тиск значно вищий, бактеріальні клітини, присутні в банці, втрачають воду внаслідок осмосу, зморщування та відмирання (або, принаймні, інактивації). Тому використання гіпертонічних розчинів збільшує час зберігання продуктів харчування, оскільки зменшує доступність води для життя та розмноження мікроорганізмів. Закони осмосу також використовуються в розсолах (де продукти занурені у гіпертонічні розчини, де розчинена речовина - звичайна кухонна сіль). Інші приклади наводять каперси (або інші продукти, консервовані в солі) та цукати. Отже, якщо вам було цікаво, чому сіль додається до стейків тільки при варінні, тепер у вас є відповідь: її присутність у сирому м’ясі сприяє вивільненню внутрішньоклітинних та позаклітинних соків, зменшуючи їх смакові якості; так само певні овочі, такі як баклажани, посипають сіллю і залишають відпочити на пару годин, щоб дати осмосу очистити воду і гіркі рідини.