О́смос (от греч. ὄσμος — толчок, давление) — самопроизвольный перенос ( диффузия ) растворителя через полупроницаемую мембрану , не пропускающую растворённое вещество, и разделяющую два раствора одного и того же вещества с различными концентрациями, либо чистый растворитель и раствор . Осмос приближает систему к равновесию в результате выравнивания концентраций по обе стороны перегородки — растворитель диффундирует в направлении от разбавленного раствора или чистого растворителя к более концентрированному раствору .

Более широкое толкование явления осмоса основано на применении Принципа Ле Шателье — Брауна : если на систему, находящуюся в устойчивом равновесии, воздействовать извне, изменяя какое-либо из условий равновесия (температура, давление, концентрация, внешнее электромагнитное поле), то в системе усиливаются процессы, направленные на компенсацию внешнего воздействия.

История открытия осмоса

Осмос открыт французским естествоиспытателем Ж.-А. Нолле (1748); первое измерение осмотического давления выполнил В. Пфеффер (1877) .

Суть процесса

Явление осмоса наблюдается в тех средах, где подвижность растворителя больше подвижности растворённых веществ. Важным частным случаем осмоса является осмос через полупроницаемую мембрану . Полупроницаемыми называют мембраны, которые имеют достаточно высокую проницаемость не для всех, а лишь для некоторых веществ, в частности, для растворителя. При этом подвижность растворённых веществ в мембране относительно мала. Как правило, это связано с размерами и подвижностью молекул, например, молекула воды меньше большинства молекул растворённых веществ. Если такая мембрана разделяет раствор и чистый растворитель, то в растворе концентрация растворителя оказывается менее высокой, поскольку там часть его молекул замещена на молекулы растворённого вещества. Вследствие этого переходы частиц растворителя из отдела, содержащего чистый растворитель, в раствор будут происходить чаще, чем в противоположном направлении. Соответственно, объём раствора будет увеличиваться (а концентрация вещества уменьшаться), тогда как объём чистого растворителя будет, соответственно, уменьшаться.

Например, к яичной скорлупе с внутренней стороны прилегает полупроницаемая мембрана: она пропускает молекулы воды и задерживает молекулы сахара . Если такой мембраной разделить растворы сахара с концентрацией 5 и 10 % соответственно, то через неё в обоих направлениях будут проходить только молекулы воды . В результате в более разбавленном растворе концентрация сахара повысится, а в менее разбавленном, наоборот, понизится. Когда концентрация сахара в обоих растворах станет одинаковой, наступит равновесие. Растворы, достигшие равновесия, называются изотоническими . Если принять меры, чтобы концентрации не менялись, осмотическое давление достигнет постоянной величины, когда обратный поток молекул воды сравняется с прямым.

Осмос, направленный внутрь ограниченного объёма жидкости, называется эндосмосом , наружу — экзосмосом . Перенос растворителя через мембрану обусловлен осмотическим давлением . Это осмотическое давление возникает соответственно Принципу Ле Шателье из-за того, что система пытается выровнять концентрацию раствора в обеих средах, разделённых мембраной, и описывается вторым законом термодинамики . Оно равно избыточному внешнему давлению, которое следует приложить со стороны раствора, чтобы прекратить процесс, то есть создать условия осмотического равновесия. Превышение над осмотическим может привести к обращению осмоса — обратной диффузии растворителя .

В случаях, когда мембрана проницаема не только для растворителя, но и для некоторых растворённых веществ, перенос последних из раствора в растворитель позволяет осуществить диализ , применяемый как способ очистки полимеров и коллоидных систем от низкомолекулярных примесей, например электролитов .

Значение осмоса

• Упругость , тургор клеток : Клетки растений используют осмос для увеличения объёма вакуоли , чтобы она распирала стенки клетки ( тургорное давление ). Клетки растений делают это путём запасания сахарозы. Увеличивая или уменьшая концентрацию сахарозы в цитоплазме, клетки могут регулировать осмос. За счёт этого повышается упругость растения в целом. С изменениями тургорного давления связаны многие движения растений (например, движения усов гороха и других лазающих растений);

• Эластичность тканей , форма органов;

• Усвоение пищи , образование лимфы , мочи , кала ;

• Действие лекарств ;

• За счёт осмоса вода в организме распределяется между кровью , тканями , клетками : Осмос играет важную роль во многих биологических процессах. Мембрана , окружающая нормальную клетку крови , проницаема лишь для молекул воды, кислорода , некоторых из растворённых в крови питательных веществ и продуктов клеточной жизнедеятельности; для больших белковых молекул, находящихся в растворённом состоянии внутри клетки, она непроницаема. Поэтому белки, столь важные для биологических процессов, остаются внутри клетки;

• Осмос участвует в переносе питательных веществ в стволах высоких деревьев , где капиллярный перенос не способен выполнить эту функцию;

• Человечество с древних времен, хотя и не понимая физический смысл, использовало эффект осмоса в процессе засаливания пищи. В результате происходил плазмолиз клеток патогена ;

• Осмос широко используют в лабораторной технике: при определении молярных характеристик полимеров, концентрировании растворов, исследовании разнообразных биологических структур. Осмотические явления иногда используются в промышленности, например при получении некоторых полимерных материалов, очистке высокоминерализованной воды методом обратного осмоса жидкостей;

• Пресноводные простейшие также имеют вакуоль , но задача вакуолей простейших заключается лишь в откачивании лишней воды из цитоплазмы для поддержания постоянной концентрации растворённых в ней веществ;

• Осмос также играет большую роль в экологии водоёмов. Если концентрация соли и других веществ в воде поднимется или упадёт, то обитатели этих вод погибнут из-за пагубного воздействия осмоса.

Использование в промышленности

Первая в мире электростанция — прототип, использующая для выработки электричества явление осмоса, запущена компанией Statkraft 24 ноября 2009 года в Норвегии вблизи города Тофте. Солёная морская и пресная вода на электростанции разделены мембраной . Так как концентрация солей в морской воде выше, между солёной водой моря и пресной водой фьорда развивается явление осмоса — постоянный поток молекул воды через мембрану в сторону солёного раствора, в результате чего образуется давление пресной воды на мембрану . Это давление соответствует давлению столба воды в 120 метров высотой. Поток воды достаточен, чтобы приводить в действие гидротурбину , вырабатывающую энергию. Производство носит ограниченный характер, основная цель — тестирование оборудования. Самый проблематичный компонент электростанции — мембраны. По оценкам специалистов Statkraft, мировое производство может составить от 1 600 до 1 700 TWh, что сравнимо с потреблением Китая в 2002. Ограничение связано с принципом действия — подобные электростанции могут быть построены только на морском побережье.

Явление осмоса находит своё применение в бурении, при строительстве нефтяных и газовых скважин. Здесь осмос возникает в виде осмотических перетоков через глинистую корочку на стенках скважины, которая и играет роль мембраны, проницаемой для растворителя (фильтрата раствора). Важно направление этих перетоков, в первую очередь при разбуривании хрупких пород, склонных к растрескиванию и осыпанию (в основном это аргилиты). Осмос, направленый от скважины к породам, слагающим стенки скважины, приводит к насыщению пор и трещин жидкостью и, вследствие этого, - к осыпаниям и обвалам пород и интенсивному кавернообразованию. Если градиент осмоса направить от стенок скважины к самой скважине, это будет способствовать устойчивости стенок, предотвратит осыпи и обвалы. С этой целью рекомендуется плавно или ступенчасто повышать минерализацию бурового раствора по ходу углубления интервала, сложеного хрупкими породами.

См. также

• Прямой осмос
• Обратный осмос
• Электроосмос
• Аномальный осмос
• Экзоосмос
• Эндоосмос

Примечания

Литература

• Агеев Е. П. (рус.) // Большая российская энциклопедия . — М. : Большая российская энциклопедия , 2014. — Т. 24 . — С. 548 .
• Гриффин Д., Новик Эл. Живой организм, пер. с англ.. — M.: Мир, 1973.
• Ершов. Общая химия. — Издание восьмое, стереотипное. — Москва: Высшая школа, 2010. — 559 с.
• Курс физической химии / под ред. Я. И. Герасимова. — М. — Л., 1963—1966. — Т. 1—2.
• Мелвин-Хьюз Э. А. Физическая химия, пер. с англ., кн. 1—2. — М. , 1962.
• Нобел П. Физиология растительной клетки (физико-химический подход), пер. с англ.. — М. , 1973.
• Пасынский А. Г. Коллоидная химия. — 3 изд. — М. , 1968.
• Проссер Л., Браун Ф. Сравнительная физиология животных, пер. с англ.. — М. , 1967.
• Ребиндер П. А. . Осмос (рус.) // Краткая химическая энциклопедия. — М. : Советская энциклопедия , 1964. — Т. 3 . — С. 398 (стб. 795—796) .

Ссылки

• Коновалов Д. П. ,. // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : в 86 т. (82 т. и 4 доп.). — СПб. , 1890—1907.
• — статья из энциклопедии «Кругосвет»
• Осмос — статья из Большой советской энциклопедии .