§ 56. Осмос

При растворении в жидкости твердого вещества его молекулы равномерно распределяются во всем объеме жидкости, образуя среду, называемую раствором; жидкость называется растворителем, твердое вещество — растворенным веществом. Масса растворенного вещества, приходящаяся на единицу объема V раствора, называется концентрацией раствора следовательно,

Растворы малой концентрации называются слабыми, или разбавленными.

Представим себе слабый раствор, налитый в сосуд (рис. 101); молекулы растворенного вещества изображены на рисунке точками. Размеры молекул растворенного вещества малы по сравнению с расстояниями между ними, поэтому взаимодействия между этими

Рис. 101

молекулами практически не будет. Таким образом, в слабом растворе растворенное вещество напоминает собой идеальный газ с той лишь разницей, что в растворе свобода движения молекул растворенного вещества ограничена присутствием молекул растворителя. Тем не менее отмеченная аналогия между идеальным газом и растворенным веществом в слабом растворе наводит на мысль о еозможности применения к растворенному веществу законов идеального газа. В частности, можно предположить, что растворенное вещество обладает парциальным давлением которое по основному уравнению кинетической теории газа (см. § 41) и по закону Клапейрона — Менделеева (см. § 40) выражается формулами

и

где в данном случае концентрация молекул растворенного вещества (число молекул растворенного вещества в единице объема раствора), средняя кинетическая энергия молекулы растворенного вещества, и масса растворенного вещества и его молярная масса, объем и температура раствора, универсальная газовая постоянная.

Для того чтобы обнаружить это давление, необходимо отделить раствор от чистого растворителя так называемой полупроницаемой перегородкой, пропускающей молекулы растворителя, но не пропускающей молекулы растворенного вещества. Для водного раствора сахара такой полупроницаемой перегородкой являются, например, бычий пузырь, кишечная ткань и некоторые искусственные пластмассовые пленки. Поры в этих перегородках столь малы, что через них могут пройти молекулы воды, но не пройдут более крупные молекулы сахара.

Проделаем теперь такой опыт. В воронку, раструб которой затянут бычьим пузырем, нальем слабый водный раствор сахара и установим ее в сосуд с чистой водой (рис. 102) так, чтобы уровни жидкостей в воронке и в сосуде совпали. Через некоторое время уровень раствора в воронке, как покажет наблюдение, начнет медленно повышаться наконец, установится над уровнем воды в сосуде на высоте Происходит это по следующей причине. Концентрация молекул воды в сосуде больше концентрации молекул воды в воронке на величину концентрации молекул сахара. Поэтому через полупроницаемую перегородку диффундирует больше молекул воды из сосуда в воронку, чем в обратном направлении, что вызывает подъем уровня жидкости в

Рис. 102

воронке. Молекулы же сахара не могут перейти через полупроницаемую перегородку из воронки в сосуд. В результате концентрации молекул воды в воронке и в сосуде уравняются, а концентрации молекул сахара останутся различными: в воронке и нуль — в сосуде. Избыточная концентрация молекул сахара создаст, согласно формуле (11), парциальное давление растворенного вещества, уравновешиваемое гидростатическим давлением столбика раствора высотой Рассмотренное явление диффузии растворителя через полупроницаемую перегородку, отделяющую раствор от чистого растворителя, называется осмосом, а возникающее при этом в растворе избыточное давление (равное парциальному давлению растворенного вещества) называется осмотическим давлением.

Поскольку давление столбика раствора равно то из рассмотренного опыта легко определить осмотическое давление по формуле

где плотность раствора, ускорение силы тяжести. С другой стороны, можно рассчитать осмотическое давление по формуле (11) или (12). Оба расчета дают хорошо совпадающие значения осмотического давления, что подтверждает допустимость аналогии, проведенной между идеальным газом и растворенным веществом в слабом растворе.

Чтобы получить представление о величине осмотического давления, подсчитаем его по формуле (12) для водного раствора тростникового сахара при температуре если концентрация раствора соответствует сахара на воды. Согласно химической формуле сахара, его молярная масса равна Тогда

Осмотическое давление наглядно обнаруживается в следующем общеизвестном явлении. Если сушеную ягоду с неповрежденной оболочкой погрузить в воду, то вскоре ягода набухнет, приняв сферическую форму, что свидетельствует об избыточном давлении внутри ягоды. Это избыточное давление есть осмотическое давление. Оболочка ягоды проницаема для молекул воды, но непроницаема для молекул сахара, содержащегося внутри ягоды. Вода, диффундируя внутрь ягоды, образует там сахарный раствор. В этом растворе, как и в описанном ранее опыте с сахарным раствором, создается осмотическое давление, распирающее оболочку ягоды.

Пользуясь формулой (10), введем в формулу (12) концентрацию раствора С. Тогда

откуда следует, что

осмотическое давление пропорционально концентрации и температуре раствора и обратно пропорционально молярной массе растворенного вещества.

Этот закон был установлен в 1887 г. голландским химиком Вант-Гоффом. Следует подчеркнуть, что, согласно закону Вант-Гоффа осмотическое давление не зависит от свойств растворителя.

Закон Вант-Гоффа хорошо оправдывается только для таких слабых растворов, в которых не происходит диссоциации растворенного вещества. Для диссоциированных растворов (электролитов) осмотическое давление оказывается значительно большим, чем следует по закону Вант-Гоффа. Это объясняется тем, что при диссоциации увеличивается число частиц растворенного вещества (из одной молекулы могут образоваться два иона) и, следовательно, согласно формуле (11), увеличивается осмотическое давление.

Явление осмоса играет исключительно важную роль в жизни растительных и животных организмов. Оболочки живых клеток представляют собой полупроницаемые перегородки; они проницаемы для молекул воды и непроницаемы для молекул сложных органических соедиьений, создающихся внутри клетки в процессе ее жизнедеятельности. Благодаря этому Енутри клетки образуется раствор и возникает осмотическое давление, делающее клетку упругой, как надутый резиновый мяч. Понятно, что построенные из таких клеток растительные и животные ткани будут обладать большой упругостью и приобретут способность сохранять свою форму. В биологии это обусловленное ссмосом явление носит название туреора клеток.

Осмотическое давление в растительных клетках, окруженных водой, может быть весьма значительным. Например, у моркови оно достигает нескольких атмосфер.

Если клетка организма граничит с концентрированным водным раствором вещества, для которого оболочка клетки непроницаема» то сода переходит из клетки в этот раствор. Происходит так называемое осмотическое высасывание воды из клетки. Им, между прочим обусловлено чувство жажды, возникающее после приема сладкой пищи.

Посредством таких физиологических процессов, как питание, выделение, дыхание и т. п., поддерживается постоянное осмотическое давление в клетках животных организмов (осморееулирование).