О́СМОС

О́СМОС (от греч. ὠσμός – тол­чок, дав­ле­ние), са­мо­про­из­воль­ный пе­ре­нос рас­тво­ри­те­ля че­рез по­лу­про­ни­цае­мую мем­бра­ну, не про­пус­каю­щую рас­тво­рён­ное ве­ще­ст­во и раз­де­ляю­щую два рас­тво­ра разл. кон­цен­тра­ции или чис­тый рас­твори­тель и рас­твор. Яв­ле­ние от­кры­то франц. ес­те­ст­во­ис­пы­та­те­лем Ж. А. Нол­ле в 1748; из­ме­ре­ние ос­мо­тич. дав­ле­ния впер­вые про­из­вёл В. Пфеф­фер в 1877. 

Осмотическое равновесие в растворах: I – растворитель, II – раствор, III – полупроницаемая мембрана, осмотическое давление π=рII-рI.

Са­мо­про­из­воль­ный мас­со­пе­ре­нос рас­тво­ри­те­ля из об­лас­ти I в об­ласть II воз­ни­ка­ет (рис.) вслед­ст­вие не­ра­вен­ст­ва хи­мич. по­тен­циа­лов рас­тво­ри­те­ля $\mu_1^\text{I}$ и $\mu_1^\text{II}$ в этих об­лас­тях. Для иде­аль­ных или бес­ко­неч­но раз­бав­лен­ных рас­тво­ров при по­стоян­ной темп-ре $\mu_1^\text{I}=\mu_1^\text{0}+RT\ln p_1^0$ и $\mu_1^\text{II}=\mu_1^\text{0}+RT\ln p_1$, где $\mu_1^0$ и $p_1^0$  – хи­мич. по­тен­ци­ал и дав­ле­ние на­сы­щен­но­го па­ра чис­то­го рас­тво­ри­те­ля, $p_1$ – пар­ци­аль­ное дав­ле­ние в об­лас­ти II, $T$ – аб­со­лют­ная темп-ра, $R$ – га­зо­вая по­сто­ян­ная. Так как $p_1^0 \gt p_1$, то $\mu_1^\text{I} \gt \mu_1^\text{II}$, что оп­ре­де­ля­ет пе­ре­нос рас­тво­ри­те­ля че­рез мем­бра­ну. Из­бы­точ­ное гид­ро­ста­тич. дав­ле­ние, воз­ни­каю­щее в об­лас­ти II, пре­пят­ст­ву­ет диф­фу­зии рас­тво­ри­те­ля, в ре­зуль­та­те ус­та­нав­ли­ва­ет­ся рав­но­ве­сие. Ве­ли­чи­на ос­мо­тич. дав­ле­ния $\pi$ при­ни­ма­ет­ся рав­ной рав­но­вес­но­му гид­ро­ста­тич. дав­ле­нию стол­ба жид­ко­сти в ка­пил­ля­ре, на­хо­дя­ще­му­ся в об­лас­ти II. Зна­че­ние $\pi$ мож­но оп­ре­де­лить и как дав­ле­ние, ко­то­рое на­до при­ло­жить к рас­тво­ру, что­бы пре­кра­тить пе­ре­нос рас­тво­ри­те­ля.

За­ви­си­мость ос­мо­тич. дав­ле­ния от со­ста­ва для иде­аль­ных рас­тво­ров опи­сы­ва­ют урав­не­ни­ем ван Лаа­ра: $\pi V_1^0=-RT\ln x_1$ или $\pi V_1^0=-RT\ln (p_1^0/p_1)$, где $V_1^0$ – моль­ный объ­ём чис­то­го рас­тво­ри­те­ля, $x_1$ – его моль­ная до­ля. Из урав­не­ния сле­ду­ет, что ос­мо­тич. дав­ле­ние про­пор­цио­наль­но $\ln x_1$. Этой же ве­ли­чи­не про­пор­цио­наль­ны по­ни­же­ние темп-ры за­мер­за­ния и по­вы­ше­ние темп-ры ки­пе­ния иде­аль­ных рас­тво­ров по срав­не­нию с чис­тым рас­тво­ри­те­лем. Пе­ре­чис­лен­ные свой­ст­ва рас­тво­ров, со­дер­жа­щих не­ле­ту­чие рас­тво­рён­ные ве­ще­ст­ва, на­зы­ва­ют­ся кол­ли­га­тив­ны­ми. Они за­ви­сят от при­ро­ды рас­тво­ри­те­ля и кон­цен­тра­ции рас­тво­рён­но­го ве­ще­ст­ва и не за­ви­сят от свойств час­тиц.

За­ви­си­мость ос­мо­тич. дав­ле­ния от мо­ляр­ной кон­цен­тра­ции рас­тво­рён­но­го ве­ще­ст­ва $c_2$, ко­гда она ма­ла, вы­ра­жа­ет­ся за­ко­ном Вант-Гоф­фа: $\pi=c_2RT$ (от­крыт в 1887). Урав­не­ние ана­ло­гич­но урав­нению со­стоя­ния иде­аль­но­го га­за, но это сход­ст­во не име­ет обос­но­ва­ния, оно слу­чай­но. Для раз­бав­лен­ных рас­тво­ров элек­тро­ли­тов урав­не­ние Вант-Гоф­фа име­ет вид: $\pi=ic_2RT$, где $i=1+\alpha(\nu-1)$, $\alpha$ – сте­пень дис­со­циа­ции элек­тро­ли­та, $\nu$  – чис­ло ио­нов, на ко­то­рые рас­па­да­ет­ся мо­ле­ку­ла элек­тро­ли­та. В слу­чае силь­ных элек­тро­ли­тов, пол­но­стью дис­со­ции­рую­щих на ио­ны, при вы­со­ких раз­бав­ле­ни­ях $\pi=\nu c_2RT$, а для рас­тво­ра про­из­воль­ной кон­цен­тра­ции $\pi=\nu Фc_2RT$, где $Ф$ – прак­ти­че­ский ос­мо­тич. ко­эф., не­по­сред­ст­вен­но свя­зан­ный с ак­тив­но­стью рас­тво­рён­но­го ве­ще­ст­ва.

Наи­бо­лее су­ще­ст­вен­ная чер­та всех ос­мо­тич. про­цес­сов – уве­ли­че­ние объ­ё­ма рас­тво­ра. Оно все­гда име­ет ме­сто, ес­ли мо­ле­ку­лы рас­тво­рён­но­го ве­ще­ст­ва не мо­гут вый­ти из рас­тво­ра, а рас­тво­ри­тель спо­со­бен про­ни­кать в рас­твор. Это ус­ло­вие мо­жет вы­пол­нять­ся да­же при от­сут­ст­вии ви­ди­мой по­лу­про­ни­цае­мой пе­ре­го­род­ки. Напр., ес­ли две фа­зы со­дер­жат не­ле­ту­чий ком­по­нент и не раз­де­ле­ны пе­ре­го­род­кой, а на­хо­дят­ся под об­щим кол­па­ком, из-под ко­то­ро­го от­ка­чан воз­дух, то за счёт раз­но­сти дав­ле­ний на­сы­щен­но­го па­ра про­изой­дёт «пе­ре­кач­ка» рас­тво­ри­те­ля из рас­тво­ра мень­шей кон­цен­тра­ции в рас­твор боль­шей кон­цен­тра­ции не­ле­ту­че­го ком­по­нен­та. Та­кой про­цесс на­зы­ва­ют «изо­тер­мич. пе­ре­гон­кой».

Ес­ли дав­ле­ние над рас­тво­ром в об­лас­ти II с по­мо­щью на­гне­тат. на­со­са по­вы­сить вы­ше ос­мо­ти­че­ско­го, то рав­но­ве­сие на­ру­шит­ся и бу­дет про­ис­хо­дить пе­ре­нос рас­тво­ри­те­ля из бо­лее кон­цен­три­ров. рас­тво­ра в ме­нее кон­цен­три­ро­ван­ный (или в чис­тый рас­тво­ри­тель). Это яв­ле­ние на­зы­ва­ют об­рат­ным ос­мо­сом. Об­рат­ный О. ши­ро­ко ис­поль­зу­ют для де­ми­не­ра­ли­за­ции, т. е. сни­же­ния в во­де об­ще­го со­ле­со­дер­жа­ния или уда­ле­ния из неё к.-л. ио­нов. Де­ми­не­ра­ли­за­ция, на­прав­лен­ная на по­лу­че­ние пить­е­вой во­ды, на­зы­ва­ет­ся оп­рес­не­ни­ем. Ес­ли со­ле­вой со­став не от­ве­ча­ет нуж­ным тре­бо­ва­ни­ям, он мо­жет быть скор­рек­ти­ро­ван до­бав­кой не­об­хо­ди­мых ком­по­нен­тов. До­ля ус­та­но­вок об­рат­но­го О. на рын­ке разл. тех­но­ло­гий оп­рес­не­ния во­ды са­мая вы­со­кая (42%). Наи­бо­лее круп­ные ус­та­нов­ки про­из­во­ди­тель­но­стью 1130 и 5680 м³/ч распо­ло­же­ны в Сан­та-Бар­ба­ре (США) и в Син­га­пу­ре; стои­мость 1 м³ оп­рес­нён­ной во­ды со­от­вет­ст­вен­но со­став­ля­ет 2 и 0,48 долл. США.

Ос­мо­тич. дав­ле­ние из­ме­ря­ют в ста­тич. или ди­на­мич. ос­мо­мет­рах. В ста­тич. ос­мо­мет­рах ос­мо­тич. дав­ле­ние оп­ре­де­ля­ют не­по­сред­ст­вен­но по вы­со­те стол­ба жид­ко­сти, ко­то­рая ус­та­нав­ли­ва­ет­ся в ре­зуль­та­те про­ник­но­ве­ния рас­тво­ри­те­ля че­рез мем­бра­ну в рас­твор. В ди­на­мич. ос­мо­мет­рах на­хо­дят за­ви­си­мость ско­ро­сти пе­ре­но­са рас­тво­ри­те­ля че­рез мем­бра­ну от пе­ре­па­да дав­ле­ния по обе её сто­ро­ны (т. н. про­ти­во­дав­ле­ние $\Delta p$). Ско­рость дви­же­ния рас­тво­ри­те­ля ста­но­вит­ся рав­ной ну­лю при $\Delta p=\pi$. Пу­тём экс­т­ра­по­ля­ции про­ти­во­дав­ле­ния до ну­ле­вой ско­ро­сти оп­ре­де­ля­ют ос­мо­тич. дав­ле­ние.

Ос­мо­тич. дав­ле­ние учи­ты­ва­ют при рас­чё­тах ап­па­ра­тов об­рат­но­го ос­мо­са. О. ис­поль­зу­ют при оп­ре­де­ле­нии мо­ле­ку­ляр­ной мас­сы по­ли­ме­ров. Моль­но-объ­ём­ную кон­цен­тра­цию $c_2$ в урав­не­нии Вант-Гоф­фа мож­но пред­ста­вить в ви­де: $c_2=\rho/M_2$, где $M_2$ – мо­ле­ку­ляр­ная мас­са по­ли­ме­ра, $\rho$  – мас­са по­ли­ме­ра в еди­ни­це объ­ё­ма рас­тво­ра. То­гда урав­не­ние Вант-Гоф­фа бу­дет вы­гля­деть сле­дую­щим об­ра­зом: $\pi/\rho=RT/M_2$. Со­глас­но тео­рии Фло­ри – Хаг­гин­са с учё­том не­иде­аль­но­сти $\pi/\rho=RT[(1/M_2)+\text{B}\rho]$, где В – ко­эф., учи­ты­ваю­щий взаи­мо­дей­ст­вие мо­ле­кул. Для оп­ре­де­ле­ния мо­ле­ку­ляр­ной мас­сы из­ме­ря­ют ос­мо­тич. дав­ле­ние ря­да раз­бав­лен­ных рас­тво­ров с раз­ной кон­цен­тра­ци­ей ис­сле­дуе­мо­го по­ли­ме­ра в од­ном и том же рас­тво­ри­те­ле и экс­т­ра­по­ли­ру­ют за­ви­си­мость $\pi/\rho=f(p)$ до зна­че­ния $\rho=0$. По­сколь­ку по­ли­ме­ры по­ли­дис­перс­ны, то най­ден­ная мо­ле­ку­ляр­ная мас­са яв­ля­ет­ся ус­ред­нён­ной по чис­лу мо­ле­кул. Диа­па­зон из­ме­ряе­мых с по­мо­щью О. мо­ле­ку­ляр­ных масс со­став­ля­ет 10³–10⁶.

Жи­вот­ные и рас­тит. клет­ки пред­став­ля­ют со­бой мик­ро­ско­пич. ос­мо­тич. сис­те­мы, по­сколь­ку у клет­ки обо­лоч­ка и при­ле­гаю­щая к ней плаз­ма­лем­ма об­ла­да­ют свой­ст­ва­ми по­лу­про­ни­цае­мых мем­бран. Со­ле­вой со­став био­ло­гич. жид­ко­стей и кле­ток, ха­рак­тер­ный для ка­ж­до­го ви­да ор­га­низ­мов, под­дер­жи­ва­ет­ся из­би­ра­тель­ной про­ни­цае­мо­стью мем­бран и ак­тив­ным транс­пор­том ио­нов. От­но­сит. по­сто­ян­ст­во ос­мо­тич. дав­ле­ния обес­пе­чи­ва­ет­ся вод­но-со­ле­вым об­ме­ном. Ес­ли по­мес­тить клет­ки в дис­тил­ли­ро­ван­ную во­ду, про­ис­хо­дит на­бу­ха­ние, а за­тем раз­рыв обо­ло­чек (ос­мо­тич. шок или ли­зис). В рас­тво­рах с вы­со­кой кон­цен­тра­ци­ей со­лей на­блю­да­ет­ся па­де­ние ос­мо­тич. дав­ле­ния и кол­лапс кле­ток из-за по­те­ри во­ды (плаз­мо­лиз). Это яв­ле­ние ис­поль­зу­ют, напр., при кон­сер­ви­ро­ва­нии пи­ще­вых про­дук­тов пу­тём до­бав­ле­ния боль­ших ко­ли­честв со­ли или са­ха­ра: мик­ро­ор­га­низ­мы под­вер­га­ют­ся плаз­мо­ли­зу и ста­но­вят­ся не­жиз­не­спо­соб­ны­ми.

Рас­тво­ры с оди­на­ко­вым зна­че­ни­ем ос­мо­тич. дав­ле­ния на­зы­ва­ют­ся изо­то­ни­че­ски­ми. Рас­тво­ры с ос­мо­тич. дав­ле­ни­ем бóльшим, чем у внут­ри­кле­точ­ной жид­ко­сти, на­зы­ва­ют­ся ги­пер­то­ни­че­ски­ми, с мень­шим – ги­по­то­ни­че­ски­ми. Один и тот же рас­твор для од­но­го ти­па кле­ток мо­жет быть ги­пер­то­ни­че­ским, для дру­го­го – изо­то­ни­че­ским, для третье­го – ги­по­то­ни­че­ским.

В тка­нях рас­те­ний ос­мо­тич. дав­ле­ние со­став­ля­ет 0,5–2,0 МПа, у рас­те­ний в пус­ты­нях – бо­лее 10 МПа. Гид­ро­ста­тич. дав­ле­ние, воз­ник­шее во внут­ри­кле­точ­ных струк­ту­рах в ре­зуль­та­те О., на­зы­ва­ет­ся тур­го­ром. Это дав­ле­ние при­да­ёт проч­ность и уп­ру­гость тка­ням жи­вых ор­га­низ­мов. Ес­ли клет­ка от­ми­ра­ет, обо­лоч­ка те­ря­ет свой­ст­во по­лу­про­ни­цае­мо­сти, тур­гор ис­че­за­ет (рас­те­ние вя­нет). Ос­мо­тич. дав­ле­ние – гл. при­чи­на, обес­пе­чи­ваю­щая дви­же­ние во­ды в рас­те­ни­ях и её подъ­ём от кор­ней до вер­ши­ны. Для рос­та и раз­ви­тия рас­те­ний важ­но со­от­но­ше­ние ме­ж­ду ос­мо­тич. дав­ле­ни­ем поч­вен­но­го рас­тво­ра и кле­точ­но­го со­ка. Рас­те­ние мо­жет нор­маль­но раз­ви­вать­ся лишь то­гда, ко­гда ос­мо­тич. дав­ле­ние кле­точ­но­го со­ка боль­ше ос­мо­тич. дав­ле­ния поч­вен­но­го рас­тво­ра.

Вы­со­ко­ор­га­ни­зо­ван­ные жи­вот­ные и че­ло­век от­ли­ча­ют­ся от­но­сит. по­сто­ян­ст­вом ос­мо­тич. дав­ле­ния; напр., в кро­ви че­ло­ве­ка ос­мо­тич. дав­ле­ние со­став­ля­ет 0,78 МПа (7,7 атм) при 37 °С. Да­же не­боль­шое из­ме­не­ние ос­мо­тич. дав­ле­ния вы­зы­ва­ет чув­ст­во дис­ком­фор­та. Так, чув­ст­во жа­ж­ды обу­слов­ле­но по­треб­но­стью ор­га­низ­ма вос­ста­но­вить нор­маль­ное ос­мо­тич. дав­ле­ние вве­де­ни­ем во­ды по­сле то­го, как оно бы­ло по­вы­ше­но, напр., упот­реб­ле­ни­ем со­лё­ной пи­щи. При бо­лез­нен­ных яв­ле­ни­ях ло­каль­ные из­ме­не­ния ос­мо­тич. дав­ле­ния мо­гут быть зна­чи­тель­ны­ми. Напр., при вос­па­лит. про­цес­сах про­ис­хо­дит рас­пад бел­ков, что при­во­дит к уве­ли­че­нию ко­ли­че­ст­ва струк­тур­ных час­тиц в оча­ге вос­па­ле­ния, по­вы­ше­нию ос­мо­тич. дав­ле­ния и ло­каль­но­му от­то­ку во­ды из ок­ру­жаю­щих тка­ней. Так воз­ни­ка­ют отё­ки. В ме­ди­ци­не обыч­но ис­поль­зу­ют изо­то­нич. рас­тво­ры, но ино­гда при­ме­ня­ют и ги­пер­то­ни­че­ские. Так, в хи­рур­гии ги­пер­то­нич. по­вяз­ка­ми по­кры­ва­ют ра­ны. По­вяз­ка от­тя­ги­ва­ет на се­бя жид­кость и очи­ща­ет ра­ну от мик­ро­ор­га­низ­мов и про­дук­тов рас­па­да тка­ней.