Значение осмотических явлений

Осмос играет важную роль в растительных и животных организмах, способствуя оводнению клеток и межклеточных структур. Оболочки клеток представляют собой полупроницаемые мембраны. Если клетки, например, эритроциты, поместить в дистиллированную воду, то из-за осмоса, направленного внутрь клеток (эндоосмос), они довольно быстро увеличиваются в размерах. В конце концов это приводит к тому, что клетки разрываются, так как оболочки не выдерживают развивающегося внутри них давления. Такое явление в общем случае носит название лизис, а в случае эритроцитов - гемолиз. Если же клетки поместить в концентрированный раствор какой-либо нейтральной соли, например, NaCl, то наблюдается, наоборот, выход воды из клеток наружу (экзоосмос), приводящий к их сморщиванию (плазмолизу). И лизис, и плазмолиз приводят к гибели клеток.

Человеческий организм, как и организмы животных и растений, характеризуется гомеостазом ряда физико-химических показателей внутренней среды, в том числе и осмотического давления крови. При температуре 37^оС осмотическое давление крови, лимфы, тканевых жидкостей человека составляет 7,4 ¸ 7,8 атм (7,5 ¸ 7,9´10⁵ Па). Колебания внутри этого интервала обусловлены индивидуальными особенностями. Постоянство осмотического давления в организме называется изоосмией. Поддерживается осмотическое давление на нужном уровне выделением избыточного количества воды почками, лёгкими, кожей (с потом) или, наоборот, задержкой воды в организме при её недостатке. Нарушение изоосмии оказывается губительным для организма гораздо раньше, чем наступает плазмолиз или лизис клеток. Снижение осмотического давления введением больших избытков воды или в результате интенсивной потери солей, например, с потом, вызывает рвоту, судороги, затемнение сознания и т. п., вплоть до гибели организма. Повышение же осмотического давления при введении больших количеств солей приводит к перераспределению воды в тканях, к их общим и местным отёкам (в тяжёлых случаях называемым “водянкой”).

Осмотическое давление жидкостей организма обусловлено суммарной концентрацией растворённых в них веществ, как низкомолекулярных (органических и неорганических), так и высокомолекулярных. Вклад растворённых в плазме крови белков в её осмотическое давление называется онкотическим давлением. Оно обычно составляет 0,25 ¸ 0,4 атм и, несмотря на малую величину, играет значительную роль в регуляции диффузии воды из крови в прилегающие ткани и обратно.

Хотя в организме есть механизм, поддерживающий изоосмию, тем не менее, местные изменения осмотического давления (например, в случае введения в организм неизотонированных растворов при внутривенных вливаниях, при введении глазных капель и т. п.) могут вызывать отрицательные, часто необратимые явления.

В медицине и фармации растворы обычно считаются изотоническими, гипер- и гипотоническими по отношению к плазме крови. В организм человека и животных в лечебных целях можно вводить в больших количествах только изотонические растворы. При приготовлении изотонических инъекционных растворов следует чётко выдерживать концентрацию лекарственного вещества в соответствии с уравнением (7.4), или в качестве растворителя применять специальные изотонические растворы, часто называемые физиологическими растворами. Простейший из них - 0,9 %-ный (0,15 М) раствор хлорида натрия. Так как инъекционные и инфузионные растворы, глазные, ушные, носовые капли и другие жидкие лекарственные формы во многих случаях содержат более двух компонентов, при их приготовлении следует учитывать так называемую осмолярную концентрацию- суммарную молярную концентрацию всех компонентов раствора независимо от их природы. Если в состав раствора входят электролиты, при вычислении осмолярной концентрации следует учитывать вклад в осмотическое давление образующихся при диссоциации ионов, как будет показано далее при рассмотрении коллигативных свойств растворов электролитов.

В клинической практике применяются и гипертонические растворы, например, внутривенные при лечении глаукомы или в виде гипертонических повязок для очищения гнойных ран.

Существенную роль явление осмоса играет в действии слабительных средств (глауберова соль Na₂SO₄·10H₂O, горькая соль MgSO₄, фенолфталеин и т. п.). Оно основано на том, что ионы SO₄^2- и органические анионы, содержащиеся в них, своим воздействием на стенки кишечника препятствуют всасыванию ионов натрия, а это вызывает значительный осмотический отток воды из крови в просвет кишечника.

Широко известно использование гипертонических растворов для консервирования пищевых продуктов. В рассолах и сахарных сиропах повышенное осмотическое давление вызывает плазмолиз и, как следствие, гибель попавших в них микроорганизмов.

Несмешивающиеся жидкости

Если взаимная растворимость жидкостей очень мала или практически отсутствует, то взаимодействие разнородных молекул очень мало, и они практически не препятствуют испарению друг друга. В результате парциальное давление пара каждого компонента над смесью близко к давлению пара над чистой жидкостью, а полное давление пара равно сумме давлений двух чистых жидкостей при этой температуре и подчиняется закону Дальтона

р = p^o_A + p^o_B .

Следует особо подчеркнуть такое обстоятельство: несмотря на то, что несмешивающиеся жидкости, помещённые в один сосуд, образуют из-за различия в плотности двухслойную систему, тем не менее, пар жидкости, находящейся в нижнем слое, может проходить сквозь верхний слой. При перемешивании равновесие “жидкость - пар” устанавливается быстрее, но и без перемешивания система приходит к такому же равновесию, только для этого требуется большее время.

Это следует учитывать при работе с ртутью, например, при хранении её в лабораториях под слоем воды. В соответствии с вышесказанным ртутные пары способны проходить сквозь воду. При этом если не приняты меры для герметизации сосуда, их содержание в воздухе может превысить предельно допустимую концентрацию. По этой же причине металлическую ртуть (например, из разбитого термометра) и растворы, содержащие соли ртути, нельзя выливать в канализацию. Капли ртути, лежащие в предохранительном сифоне под водопроводной раковиной или в канализационных трубах, будут насыщать воздух лаборатории или жилого помещения ртутными парами.

Перегонка с водяным паром

Температура кипения смеси двух взаимно нерастворимых жидкостей ниже температур кипения отдельных компонентов. Состав пара при этом не зависит от общего состава смеси, т. е. от соотношения масс компонентов.

Многие вещества при нагревании разлагаются при температурах, не достигающих их температуры кипения. Поэтому для их очистки нельзя использовать такой достаточно эффективный метод, как перегонка (простая или фракционная). Однако подобные нелетучие жидкости могут быть переведены в пар при температуре, более низкой, чем их Т_кип, при совместном кипении с какой-либо несмешивающейся с ними более летучей жидкостью. (Эти жидкости, кроме того, не должны химически взаимодействовать друг с другом). Это обстоятельство лежит в основе перегонки с водяным паром.

Перегонка с водяным паром - совместная перегонка с водой прак­ти­чески нерастворимых в ней веществ. В фармации и в парфюмерной промышленности этот вид перегонки используется для получения в чистом виде высококипящих органических веществ и, в особенности, при выделении из растительного сырья эфирных масел - розового, лавандового, пихтового, эвкалиптового и др.

Относительные количества двух жидкостей в паре, а, следовательно, и в конденсате по закону Дальтона определяются давлениями их насыщенных паров:

poA nA ¾¾ = ¾¾ , poB nB

где n - число молей компонента. Подставляя вместо n равные им величины:

mAmB nA = ¾¾ и nA = ¾¾ MAMB

получаем

poA MA mA ¾¾¾¾ = ¾¾ poB MB mB

или, принимая, что А - это вода, а В - перегоняемый с водяным паром компонент k, -

mН2О poН2О MН2О ¾¾¾ = ¾¾¾¾¾¾ , (7.5) mk pok Mk

где М_Н2О и М_k - молярные массы воды и перегоняемого компонента;

p^o_Н2О и p^o_k - давления пара воды и перегоняемого компонента.

Давление пара воды p^o_Н2О при температуре кипения смеси обычно берётся из справочных таблиц, а давление пара перегоняемого компонента p^o_k вычисляется по закону Дальтона:

p^o_k = p - p^o_Н2О,

где р - атмосферное давление.

Так как в правой части уравнения (7.5) стоит отношение давлений пара, то р, p^o_Н2Ои p^o_k могут быть выражены в любых единицах - Па, атм или мм рт. ст.

Отношение m_H2O/m_к характеризует количество водяного пара, необходимое для перегонки единицы массы перегоняемого вещества, и называется коэффициентом расхода пара. Обычно используемая размерность этого коэффициента - кг/кг. Его значение будет тем меньше, чем выше давление насыщенного пара перегоняемого вещества и чем больше его молярная масса.

Перегонку с водяным паром можно производить и под вакуумом для еще большего снижения температуры кипения смеси.

Пример: Рассмотрим перегонку с водяным паром камфоры C₁₀H₁₆0 при получении её из дре­весины камфорного дерева. Т_пл камфоры » 178^оС, Т_кип » 208^оС, т. е. для её расплавления и тем более для кипения требуется очень высокая температура и соответственно большой расход энергии.

Если кипятить смесь воды и стружек камфорного дерева при температуре 95^оС и при атмосферном давлении 1,013´10⁵ Па, то общее давление пара над смесью будет складываться из давления паров воды при этой температуре (84525 Па) и камфоры (1,013´10⁵ - 84525 = 16775 Па). Вычисляем коэффициент расхода пара:

mН2О poН2О MН2О 84525 · 18 ¾¾¾ = ¾¾¾¾¾¾ = ¾¾¾¾¾¾ = 0,596 mê poê Mê 16775 · 152

То есть для получения 1 кг камфоры необходимо затратить 0,596 кг водяного пара, а с 1 кг водяного пара можно перегнать 1/0,596 = 1,678 кг камфоры.