Осмос в живой природе

Осмос наблюдается, когда два раствора различной концентрации (или раствор и чистый растворитель) разделены полупроницаемой перегородкой – мембраной. Полупроницаемой она называется потому, что молекулы растворителя через такую мембрану проходят, тогда, как растворенное соединение ею задерживается. В результате устанавливается направленный поток молекул растворителя из области, где раствор менее концентрированный (молекул растворителя больше), туда, где раствор более концентрированный (там молекул растворителя меньше).

Впервые явление осмоса наблюдал французский аббат Жан Нолле (1700–1770). Он наполнил сосуд винным спиртом, закрыл его плотно мембраной (он использовал кусок мочевого пузыря свиньи) и погрузил в чан с водой. Вода проходила внутрь сосуда со спиртом и создавала в нем такое давление, что пузырь раздувался и лопался. Нолле не прошёл мимо этого удивительного факта и объяснил его следующим образом: "Животный пузырь может быть более проницаем для воды, чем для спирта; в таком случае скорость прохождения воды окажется больше скорости прохождения спирта".

После Нолле было проведено много подобных экспериментов. Они интересовали главным образом биологов.

Объяснение осмоса.

Что происходит при растворении какого-нибудь вещества в растворителе? Молекулы вещества проникают в растворитель, а молекулы растворителя - в область, занятую раствором. Такая взаимная диффузия (проникновение) и приводит к выравниванию концентраций растворённого вещества и растворителя по всему объёму. Теперь представим себе ситуацию, при которой раствор и чистый растворитель разделены полупроницаемой перегородкой - она пропускает молекулы растворителя, но не пропускает молекулы растворённого вещества. Очевидно, что в этом случае выравнивание концентраций может происходить только за счёт односторонней диффузии растворителя. Молекулы растворителя будут перемещаться через мембрану из менее концентрированного раствора в более концентрированный, вызывая в последнем повышение уровня жидкости.

Другими словами можно сказать, что растворитель проникает в раствор под действием сил так называемого осмотического давления. Как только гидростатическое давление столба уравновесит осмотическое давление, процесс прекратится.

Чтобы говорить об осмосе, необходимы три основных условия:

– растворенное в воде вещество

– наличие (или возникновение) полупроницаемой мембраны

– источник воды (растворителя).

Установка для наблюдения явления осмоса

Для демонстрации явления осмоса используется установка, схематически показанная на рис. 2. Главной частью установки является стеклянная колба 1 объемом 0,1 – 0,15 литра, имеющая вид «колокольчика» и закрытая с одной стороны полупроницаемой мембраной 2 из органического целлофана. Края целлофана закрепляются нитками 3 на «юбочке» колокольчика. Колба полностью заполняется подкрашенным раствором сахара 4 (5-10 чайных ложек на литр воды, краситель любой) и плотно закрывается резиновой пробкой 5 нижней, в которую вставлена толстостенная стеклянная трубка длиной 25 – 30 см с внутренним диаметром 1 – 1,5 мм. На трубку надевается небольшое цветное резиновое кольцо 7, показывающее начальный уровень жидкости в трубке. Вторая резиновая пробка 5, надетая на трубку, служит для закрепления всей системы на лабораторном штативе 8. Стеклянная колба с подкрашенным раствором сахара погружается примерно до уровня нижней пробки в стакан с водой 9, стоящий на деревянной подставке 10. Демонстрация явления осмоса на этой установке, при комнатной температуре, будет эффектной, если выполнить ряд условий. Во-первых, в качестве полупроницаемой мембраны хорошо подходит органический целлофан. Такой целлофан при деформации издает характерный хруст, а после смачивания слегка растягивается. Во-вторых, должно быть полностью исключено проникновение раствора в растворитель. Для этого места контакта целлофана и пробки со стеклянной колбой промазывают вазелином или герметиком. Перед закреплением целлофана на колбе он должен быть смочен водой, чтобы находиться в растянутом состоянии. В-третьих, после того как раствор налит в колбу «под горлышко», необходимо выдержать несколько минут для того, чтобы целлофан со стороны раствора успел намокнуть и слегка прогнуться под тяжестью раствора. Этим исключается его дальнейшая деформация и увеличение вследствие этого объема колбы в начале опыта. Начальный уровень раствора в колбе должен быть таким, чтобы после герметизации колбы пробкой уровень раствора в трубке оказался чуть выше пробки. После этого вся система крепится на штативе за верхнюю пробку в вертикальном положении. Расстояние от дна колбы до основания штатива лучше оставить достаточно большим, чтобы можно было снизу подвести стакан с водой, не трогая раннее закрепленную систему. Если утечка раствора незначительна, то на нее можно не обращать внимания, т. к. эксперимент носит характер качественной демонстрации эффекта. Для большей наглядности демонстрации за трубкой помещают белый матовый экран и подсвечивают трубку.

Полупроницаемая мембрана

    Полупроницаемой мембраной называется плёнка, пропускающая молекулы растворителя и не пропускающая молекулы растворённого вещества. Пфеффер смачивал сосуды водой, наполнял их растворами гексацианоферрата (III) калия (красной кровяной соли) K3Fe(CN)6 и погружал в раствор медного купороса. При этом в порах сосуда образовывались полупроницаемые мембраны из гексацианоферрата меди Cu3[K3Fe(CN)6]2.

Биологические мембраны обеспечивают направленный перенос необходимых организму веществ из внешней среды в клетку, и наоборот. Без мембран невозможны были бы дыхание, кроветворение, синтез белка, усвоение пищи, удаление отходов и другие процессы.

Осмотическое давление

Давление, создаваемое столбом воды в трубке или выгнутой мембраной, называется осмотическим давлением. Это то дополнительное давление, которое надо приложить к раствору, чтобы осмос прекратился. Осмотическое давление нетрудно измерить. Первые опыты такого рода провел в 1826 французский армейский врач Рене Дютроше (1776–1847). Он же придумал название явлению. Дютроше установил, что осмотическое давление пропорционально концентрации раствора.

Наиболее точные измерения в XIX веке в широком диапазоне давлений (вплоть до нескольких атмосфер) провел в 1877 немецкий химик и ботаник Вильгельм Пфеффер (1845–1920). Мембранами в его опытах служили перепонки из бычьего пузыря или неглазурованные глиняные сосуды (глазурь на поверхности сосудов делает их водонепроницаемыми).

Один из вариантов осмометра Пфеффера показан на рис. 1. Цилиндрический стакан с полупроницаемыми стенками плотно закрыт пробкой, в отверстие которой вставлена длинная вертикальная трубка. В стакан наливается раствор исследуемого вещества, и он погружается в сосуд с чистым растворителем. Растворитель будет диффундировать в стакан, уровень раствора в трубке начнет постепенно повышаться до некоторого предельного уровня $h_{\max },$ при котором гидростатическое давление столба раствора в трубке будет препятствовать дальнейшей диффузии растворителя

Результаты Пфеффера использовал знаменитый голландский химик Якоб Хендрик Вант-Гофф (1852–1911), который в 1887 вывел формулу для зависимости осмотического давления от концентрации раствора. Она оказалась такой же, как и для давления идеального газа: P = СRT, где Р – осмотическое давление, С – концентрация растворенного вещества (в молях на литр раствора), Т – абсолютная температура, R – газовая постоянная. Это означает, что ионы или молекулы в растворе ведут себя, как будто они находятся в газе, занимающем такой же объем.

Рассмотрим физическую природу появления осмотического давления. Для растворителя в состоянии равновесия число молекул, ударяющихся о перегородку с противоположенных сторон за единицу времени, будет одинаковым. Эти удары уравновешивают друг друга, и поэтому растворитель не оказывает никакого давления на перегородку. Но молекулы растворенного вещества ударяются о перегородку только с одной стороны. Эти неуравновешенные удары и приводят к возникновению осмотического давления. Для слабых растворов (порядка десятых долей моля на литр) молекулы растворенного вещества в растворе находятся далеко друг от друга и между собой практически не взаимодействуют. За свои исследования по химической динамике и осмотическому давлению Вант - Гофф стал первым Нобелевским лауреатом по химии (1901г. )

Практическая часть.

Опыт № 1: куриное яйцо представляет собой единую гигантскую животную клетку, превосходно подходящую для демонстрации явления осмоса.

Для опыта нам придется пожертвовать тремя сырыми яйцами, с которых необходимо удалить известковую оболочку (скорлупу). Это делается путем осторожного растворения скорлупы в соляной кислоте, разведенной в пропорции 1: 10.

В курином яйце под известковой оболочкой имеется еще одна мягкая оболочка, обладающая такими же свойствами, как и знакомый нам пузырь. Она полупроницаема, и это мы сейчас же докажем. Мы наполняем один сосуд чистой водой, второй сосуд 1%-ным раствором соли и третий сосуд насыщенным раствором поваренной соли и опускаем в каждый из них по яйцу. В первом сосуде яйцо разбухает, во втором изменений нет, в третьем яйцо съеживается.

Опыт № 2: наблюдение осмоса. Накроем ветку растения перевернутой стеклянной банкой. Можно даже не срезать для такого опыта ветку, а просто накрыть банкой какое-либо небольшое комнатное растение, например, молодую настурцию. Если растение полито как следует, то в замкнутом объеме атмосфера очень скоро насытится водяными парами, и вода не сможет больше испаряться из листьев. Транспирации заведомо нет, однако спустя некоторое время на листьях появляются капельки воды. Отчего? Опять стало работать осмотическое давление.

Опыт № 3: наблюдение полупроницаемости цитоплазматической мембраны.

Оборудование: луковица лука репчатого, имеющего антоциановую окрасу,6-8% раствор поваренной соли, покровные и предметные стекла, препаровальные иглы, скальпели или лезвия, микроскопы.

Ход работы.

1. Приготовить препарат кожицы лука, рассмотреть клетки под микроскопом.

2. Удалить с микропрепарата воду, приложить фильтровальную бумагу к краю покровного стекла. Нанести на предметное стекло - каплю раствора поваренной соли.

3. Фильтровальной бумагой удалить раствор поваренной соли. Капнуть на предметное стекло 2—3 капли воды. Наблюдать за состоянием цитоплазмы.

Сделаем вывод:

1. Если клетка находится в гипертоническом растворе, концентрация которого больше концентрации клеточного сока, то скорость диффузии воды из клеточного сока будет превышать скорость диффузии воды в клетку из окружающего раствора. Уменьшение объема клеточной вакуоли сопровождается отделением цитоплазмы оболочки – происходит плазмолиз

2. Если плазмолизированную клетку поместить в гипотонический раствор, концентрация которого меньше концентрации клеточного сока, вода из окружающего раствора будет диффундировать внутрь вакуоли. В результате увеличения объема вакуоли повысится давление клеточного сока на цитоплазму, которая начинает приближаться к стенкам клетки, пока не примет первоначальное положение - произойдет деплазмолиз.

3. Мы убедились в том, что плазматическая мембрана обладает избирательной проницаемостью

Опыт № 4: « Сад химика». Готовят горячий (около 60 °C) насыщенный раствор силиката натрия в 100 г воды. Полученный раствор медленно охлаждают до комнатной температуры, при этом образуется вязкая масса, напоминающая по консистенции силикатный клей. Затем берут несколько кристаллов различных окрашенных солей, например, меди, кобальта и никеля. Кристаллы осторожно помещают на дно стакана и оставляют на ночь. Утром можно полюбоваться на "неорганический сад", который вырастет из "семян" - кристаллов. Опыт интересен тем, что показывает один из вариантов (хотя и не самый распространенный) образования в природе силикатов, показывает явление осмоса. Уравнение реакции в случае с медным купоросом:

CuSO4 + Na2SiO3 = CuSiO3 + Na2SO4

Химический аквариум получается, если в стекляную банку с водным раствором 1 л жидкого стекла в 0,5-0,7 л воды одновременно из двух стаканов вылить водные растворы сульфата хрома Cr2(SO4)3 и хлорида железа FeCl3, то в банке вырастут силикатные "водоросли" желто-зеленого цвета, которые, причудливо переплетаясь, опускаются сверху вниз. А добавив в банку по каплям раствор медного купороса, мы заселим аквариум "морскими звездами" и "морскими ежами". Рост "водорослей" - результат кристаллизации соединений железа, меди и хрома - гидроксидов и гидроксосиликатов, которые образуются в результате обменных реакций.

Заключение.

Осмос имеет большое значение для растительных и животных организмов, способствуя достаточному обводнению клеток и межклеточных структур. Возникающее после этого осмотическое давление обеспечивает тургор клеток, т. е. их упругость. Наличие воды необходимо для нормального течения различных процессов. У клетки или оболочка, или прилегающая к ней плазмалемма обладают свойствами полупроницаемой мембраны.        Если по каким-либо причинам молекулярный насос клеточных оболочек перестаёт перекачивать воду внутрь клеток, чтобы поддержать осмотическое давление жидкости на достаточном уровне, то клетки уменьшаются в размерах и гибнут.

Если поместить клетки в дистиллированную воду, происходит набухание, затем разрыв оболочек. Например, эритроциты окрасят воду в красный цвет. Падение осмотического давления в клетках при обезвоживании организма приводит к их коллапсу (сжатию); наоборот, обессоливание организма приводит к набуханию и разрыву клеток (осмотический шок). Шок при сильных кровотечениях обусловлен не столько потерей крови, сколько резким падением осмотического давления и коллапсом сосудов. Поэтому при больших потерях крови пострадавшим вводят инертные высокомолекулярные заменители плазмы крови, благодаря которым восстанавливается осмотическое давление и устраняется шок.

В растворах с высокой концентрацией солей происходит сморщивание клеток из-за потери воды. Это явление используется, например, при консервировании пищевых продуктов путём добавления больших количеств соли или сахара. Микроорганизмы при этом становятся не жизнедеятельными.

Для роста и развития растительных организмов имеет большое значение соотношение между осмотическими давлениями почвенного раствора и клеточного сока. Растение может нормально развиваться лишь тогда, когда осмотическое давление клеточного сока больше осмотического давления почвенного раствора.  Действием осмотического давления объясняется также набухание семян растений, явление «пробивания» растущими побегами земли и препятствий, лежащих на земле, и т. д. Полезно отметить, что осмотическое давление - главная сила, обеспечивающая движение воды в растениях и её подъём от корней до вершины. Клетки листьев, теряя воду, осмотически всасывают её из клеток стебля, а последние из клеток корня, берущих воду из почвы.