20. Диффузия (определение и примеры).

Если на концентрированный раствор какого-нибудь вещества осторожно наслоить воду, то через некоторое время произойдет выравнивание концентрации вещества по всему объему системы в результате диффузии.

Диффузия – это самопроизвольный процесс выравнивания концентрации растворенного вещества в растворе, обусловленный переносом частиц растворенного вещества и растворителя.

С точки зрения термодинамики причиной диффузии является стремление системы к максимуму энтропии. Как правило, происходит движение частиц из большей концентрации системы к меньшей. При выравнивании концентраций происходит выравнивание скорости диффузии частиц в разных направлениях.

Количество вещества, переносимого за счет диффузии в единицу времени через единицу поверхности, называется скоростью диффузии.

Скорость диффузии прямо пропорциональна температуре, разности концентраций по обе стороны поверхности, через которую осуществляется диффузия, и обратно пропорциональна вязкости и размеру частиц.

21. Осмос (определение и примеры). Эндо- и экзосмос (определение и примеры).

Иная картина наблюдается в тех случаях, когда отдельные части системы разделены перегородками, которые пропускают одни компоненты (например, молекулы растворителя) и непроницаемы для других (например, для молекул растворѐнного вещества). Простыми и давно известными примерами таких перегородок, называемых полупроницаемыми, является кожа, плавательный пузырь рыбы, растительный пергамент, животные и растительные ткани и т. д.

Если сосуд 1, сделанный из пористого материала, способного пропускать только молекулы воды и неспособного пропускать молекулы растворѐнного вещества, заполнить раствором какого-либо вещества с концентрацией его равной с1 и поместить в сосуд 2, содержащий раствор этого же вещества с меньшей концентрацией с2, то процесс выравнивания концентраций растворов возможен, но механизм процесса будет другим. Молекулы воды будут проходить через полупроницаемую перегородку в сосуд 1, т. к. концентрация вещества с1> с2. Этот процесс способствует выравниванию концентраций растворенного вещества в сосудах 1 и 2. Растворитель из разбавленного раствора переходит в концентрированный, который при этом разбавляется. Процесс идѐт в сторону выравнивания концентраций.

Самопроизвольный переход воды (растворителя) через полупроницаемую перегородку в раствор называется осмосом.

Иначе говоря, осмос – это односторонняя диффузия растворителя через полупроницаемую перегородку в раствор какого-либо вещества. Молекулы растворенного вещества переходить через полупроницаемую перегородку не могут.

22. Осмотическое давление (закон Вант – Гоффа) – формулировка и математическое выражение.

Прибор, применяемый для количественного изучения осмоса, называется осмометром. Простейший осмометр представляет собой сосуд 1, дно которого является полупроницаемой перегородкой. К сосуду приварен тонкий капилляр. Сосуд 1 содержит разбавленный раствор сахара. Полупроницаемая перегородка (дно сосуда 1) может пропускать только молекулы воды (но не молекулы сахара). Если сосуд 1 опустить в стакан 2, заполненный водой, то молекулы воды будут диффундировать в сосуд 1, где концентрация молекул воды меньше, чем в стакане 2.

Сила (на единицу площади), заставляющая растворитель переходить через полупроницаемую перегородку в раствор (находящийся при том же внешнем давлении, что и растворитель), называется осмотическим давлением.

Вследствие осмоса уровень раствора в сосуде 1 повышается, создавая дополнительное давление, которое препятствует осмосу. При некоторой высоте h столба жидкости в сосуде 1 дополнительное давление достигает такой величины, при которой осмос прекращается. Устанавливается равновесие между раствором данной концентрации и чистым растворителем, разделёнными полупроницаемой перегородкой. Скорость диффузии растворителя через мембрану по обе стороны мембраны будут равны. Увеличивая извне давление в сосуде 1, можно заставить воду переходить из сосуда 1 во внешний сосуд 2. При этом концентрация раствора в сосуде 1 будет возрастать до тех пор, пока не достигнет значения, соответствующего 13

увеличенному давлению; установится новое равновесие между раствором и растворителем.

Таким образом, равновесию между раствором заданной концентрации и чистым растворителем, разделенными полупроницаемой перегородкой, соответствует определённое гидростатическое давление в сосуде с раствором.

Гидростатическое давление, которое надо приложить к раствору, чтобы прекратить осмос называется осмотическим давлением

Гидростатическое давление, равное высоте h, препятствующее односторонней диффузии растворителя, численно равно осмотическому давлению π_осм раствора.

Вант-Гофф установил, что для растворов неэлектролитов осмотическое давление не зависит от природы растворенного вещества, а зависит только от числа частиц и температуры.

Анализируя числовые данные, Вант-Гофф пришел к выводу, что величину осмотического давления можно вычислять по следующей формуле:

где С – молярная концентрация вещества в растворе (моль/л);

R – универсальная газовая постоянная;

Т – абсолютная температура (К);

πосм – осмотическое давление (кПа).

Подставив в уравнение , получим выражение:

где m – масса растворенного вещества, V – объем раствора.

Это выражение носит название закона Вант-Гоффа для осмотического давления:

Осмотическое давление разбавленного раствора неэлектролита равно тому давлению, которое производило бы растворенное вещество, если бы оно при той же температуре находилось в газообразном состоянии и занимало объем, равный объему раствора.

Это уравнение справедливо для идеальных растворов.

Если у двух растворов осмотическое давление одинаковое, то эти растворы называются изотоническими и между ними происходит подлинно равновесный обмен молекулами растворителя.

Если в контакте два раствора с разным , то раствор с большим называют гипертоническим, а с меньшим – гипотоническим. Гипертонический раствор будет всасывать растворитель из гипотонического вследствие стремления к выравниванию концентрации веществ за счѐт перераспределения растворителя между этими растворами.

Осмотическая ячейка – это система, отделённая от окружающей среды мембраной с избирательной проницаемостью. Все клетки живых существ – осмотические ячейки.

Явление движения растворителя из окружающей среды в осмотическую ячейку называют эндосмосом.

Условия эндосмоса: С_внутр > С _наруж.; _{(внутр.)} > _{(наруж.).}

В результате эндосмоса вода диффундирует в клетку, происходит набухание клетки с появлением напряженного состояния клетки, называемого тургор. В растительном мире тургор помогает растению сохранять вертикальное положение и определённую форму.

Если разница в концентрациях наружного и внутреннего раствора достаточно велика, а прочность оболочки клетки небольшая, то эндосмос приводит к разрушению клеточной мембраны и лизису клетки. (Напомним, что лизис – это разрушение, распад, растворение клеток.) 18

Эндосмос является причиной гемолиза (гематолиза) – разрушения эритроцитов крови с выделением в окружающую среду гемоглобина. В норме гемолиз завершает жизненный цикл эритроцитов (приблизительно 125 суток) и происходит в организме человека и животных непрерывно. Патологический гемолиз происходит под влиянием гемолитических ядов, холода, некоторых лекарственных веществ и других факторов.

Кроме эндосмоса, возможен экзосмос: экзосмос – это движение растворителя из осмотической ячейки в окружающую среду.

Условия экзосмоса: С_наруж> С_внутр; _{(наруж.)} > _{(внутр.).}

В результате экзосмоса вода диффундирует из клетки в плазму и происходит сжатие и сморщивание оболочки клетки, называемое плазмолизом. Экзосмос имеет место, если клетка оказывается в гипертонической среде. Явление экзосмоса наблюдается, например, при посыпании ягод или фруктов сахаром, а овощей, мяса, рыбы – солью. При этом происходит консервирование продуктов питания благодаря уничтожению микроорганизмов в результате их плазмолиза.