Осмотичний тиск (позначається π ) - надлишковий гідростатичний тиск на розчин , Відокремлений від чистого розчинника напівпроникною мембраною , При якому припиняється дифузія розчинника через мембрану ( осмос ). Це тиск прагне зрівняти концентрації обох розчинів внаслідок зустрічної дифузії молекул розчиненої речовини і розчинника.
Міра градієнта осмотичного тиску, тобто відмінності водного потенціалу двох розчинів, розділених напівпроникною мембраною, називається тонічності . Розчин, що має більш високий осмотичний тиск в порівнянні з іншим розчином, називається гіпертонічним, що має більш низьке - гіпотонічним.
Якщо ж подібний розчин знаходиться в замкнутому просторі, наприклад, в клітці крові , То осмотичний тиск може призвести до розриву клітинної мембрани. Саме з цієї причини ліки , Призначені для введення в кров, розчиняють в фізіологічному розчині , Що містить стільки хлориду натрію (Кухонної солі), скільки потрібно, щоб врівноважити створюване клітинної рідиною осмотичнийтиск. Якби вводяться лікарські препарати були виготовлені на воді або дуже сильно розбавленому (гипотоническом по відношенню до цитоплазмі ) Розчині, осмотичний тиск, змушуючи воду проникати в клітини крові, призводило б до їх розриву. Якщо ж ввести в кров дуже концентрований розчин хлориду натрію (3-10%, гіпертонічні розчини), то вода з клітин буде виходити назовні, і вони стиснуться. В разі рослинних клітин відбувається відрив протопласта від клітинної оболонки , що називається плазмоліз . Зворотний же процес, що відбувається при приміщенні стиснулися клітин в більш розбавлений розчин, - відповідно, деплазмолізу .
Величина осмотичного тиску, створювана розчином, залежить від кількості, а не від хімічної природи розчинених в ньому речовин (або іонів , Якщо молекули речовини дисоціюють), отже, осмотичний тиск є колігативні властивості . Чим більше концентрація речовини в розчині , Тим більше що створюється їм осмотичнийтиск. Це правило, що носить назву закону осмотичного тиску, виражається простою формулою, дуже схожою на рівняння стану для ідеального газу :
π = i ⋅ C ⋅ R ⋅ T {\ displaystyle \ pi = i \ cdot C \ cdot R \ cdot T} 
де i - ізотонічний коефіцієнт розчину; C - молярна концентрація розчину, виражена через комбінацію основних одиниць СІ , Тобто, в моль / м³; R - універсальна газова постійна ; T - термодинамічна температура розчину.
Це показує також схожість властивостей частинок розчиненої речовини в вузький середовищі розчинника з частинками ідеального газу в повітрі . Правомірність цієї точки зору підтверджують досліди Ж. Б. Перрена ( 1906 ): Розподіл частинок емульсії смоли гуммигута в товщі води в загальному підпорядковувалося закону Больцмана .
Осмотичний тиск, який залежить від змісту в розчині білків, називається онкотичним (0,03-0,04 атм). При тривалому голодуванні, хворобі нирок концентрація білків в крові зменшується, онкотичноготиск в крові знижується і виникають Онкотичний набряки: вода переходить з судин в тканині, де πОНК більше. При гнійних процесах πОНК у вогнищі запалення зростає в 2-3 рази, так як збільшується число часток через руйнування білків .
В організмі осмотичний тиск повинен бути постійним (близько 7,7 атм). Тому пацієнтам вводять ізотонічні розчини (розчини, осмотичний тиск яких дорівнює πплазми ≈ 7,7 атм. (0,9% NaCl - фізіологічний розчин, 5% розчин глюкози ). Гіпертонічні розчини, у яких π більше, ніж πплазми, застосовуються в медицині для очищення ран від гною (10% NaCl ), Для видалення алергічних набряків (10% CaCl2 , 20% глюкоза ), Як послаблюючі ліків ( Na2SO4 ∙ 10H2O , MgSO4 ∙ 7H2O ).
Закон осмотичного тиску можна використовувати для розрахунку молекулярної маси даної речовини (при відомих додаткових даних).
Для виникнення осмотичного тиску повинні виконуватися дві умови:
- наявність напівпроникною перегородки (мембрани);
- наявність по обидва боки мембрани розчинів з різною концентрацією.
Мембрана проникна для частинок (молекул) певного розміру, тому вона може, наприклад, вибірково пропускати крізь свої пори молекули води, не пропускаючи молекули етилового спирту. Для газової суміші - водню і азоту - роль напівпроникною мембрани може виконувати тонка паладієва фольга, крізь яку вільно дифундує водень, тоді як азот вона практично не пропускає. за допомогою такої мембрани можна розділяти суміш водню і азоту на окремі компоненти.
Простими і давно відомими прикладами мембран, які проникні для води і непроникні для багатьох інших розчинених у воді речовин, є шкіра, пергамент, і інші тканини тваринного і рослинного походження.
Пфеффер за допомогою осмометрі, в якому в якості напівпроникною мембрани використовувався пористий фарфор, оброблений C u 2 F e (C N) 6 {\ displaystyle Cu_ {2} Fe (CN) _ {6}}, досліджував осмотичнийтиск водних розчинів тростинного цукру. На основі цих вимірів Вант-Гофф в 1885 році запропонував емпіричне рівняння, якому підпорядковується осмотичнийтиск π {\ displaystyle \ pi} розведених розчинів:
π = c R T {\ displaystyle \ pi = cRT},
де c = n / V - концентрація розчиненої речовини, моль / м³.
Це рівняння за формою збігається з законом Бойля-Маріотта для ідеальних газів. Тому осмотичнийтиск розведених розчинів можна визначити як тиск, який би створювала ту ж саму кількість молекул розчиненої речовини, якби воно було у вигляді ідеального газу і займало при даній температурі об'єм, що дорівнює об'єму розчину.
Рівняння Вант-Гоффа можна кілька перетворити, підставляючи замість концентрації c i = n i / V = m i / M i V {\ displaystyle c_ {i} = n_ {i} / V = m_ {i} / M_ {i} V}:
π = c i R T = m i M i V R T {\ displaystyle \ pi = c_ {i} RT = {\ frac {m_ {i}} {M_ {i} V}} RT},
де m i {\ displaystyle m_ {i}} - масова концентрація розчиненої речовини; M i {\ displaystyle M_ {i}} - його молекулярна маса.
У такому вигляді рівняння Вант-Гоффа широко застосовується для визначення молярної маси розчиненої речовини. Осмотический метод застосовують найчастіше для визначення молярних мас високомолекулярних сполук (білків, полісахаридів та інших). Для цього достатньо виміряти осмотичний тиск розчину з відомою концентрацією.
Якщо речовина дисоціює в цьому розчині, то осмотичний тиск буде більшим, ніж розраховане і потрібно вводити ізотонічний коефіцієнт:
π = i c R T. {\ Displaystyle \ pi = icRT.}
Рівняння Вант-Гоффа справедливо тільки для розведених розчинів, які підкоряються закону Рауля. При підвищених концентраціях розчинів c i {\ displaystyle c_ {i}} в останньому рівнянні має бути замінено на активність a 1 {\ displaystyle a_ {1}} або фугітівность f 1. {\ Displaystyle f_ {1}.}
Роль осмосу в біологічних системах
Явище осмосу і осмотичний тиск відіграють величезну роль в біологічних системах, які містять напівпроникні перегородки у вигляді різних тканин, в тому числі оболонок клітин. Постійний осмос води всередину клітин створює надлишковий гідростатичний тиск, який забезпечує міцність і еластичність тканин, яке називають тургором .
Якщо клітку, наприклад, еритроцит, помістити в дистильовану воду (або дуже розбавлений розчин солі), то вода буде проникати всередину клітини і клітина буде набухати. Процес набухання може привести до розриву оболонки еритроцита, якщо станеться так званий гемоліз.
Зворотне явище спостерігається, якщо вмістити клітку в концентрований розчин солі: крізь мембрану вода з клітин дифундує в розчин солі. При цьому протоплазма скидає оболонку, клітина зморщується, втрачає тургор і стійкість, властиві їй в нормальному стані. Це явище називається Плазмоліз. При приміщенні плазмолізованних клітин в воду протоплазма знову набухає і в клітці відновлюється тургор. Відбувається при цьому так званий деплазмолізу: це можна спостерігати, поміщаючи квіти, які починають в'янути, в воду. І тільки у фізіологічному розчині, який має однакову концентрацію (вірніше, однакове осмотичний тиск з вмістом клітини), обсяг клітини залишається незмінним.
Процеси засвоєння їжі, обміну речовин тісно пов'язані з різною проникністю тканин для води та інших розчинених в ній речовин.
Осмотичний тиск відіграє роль механізму, який подає нутрієнти клітинам; у високих дерев останні піднімаються на висоту декількох десятків метрів, що відповідає осмотичного тиску в кілька десятків атмосфер. Типові клітини, що сформувалися з протоплазматических мішків, наповнених водними розчинами різних речовин (клітинний сік), мають певне значення для тиску, величина якого вимірюється в межах 0,4-2 МПа.
