Осмос, осмотическое давление, молярная концентрация

Осмосом называют спонтанное движение растворителя через мембрану, проницаемую для растворителя и непроницаемую для растворенных веществ (полупроницаемую мембрану) из менее концентрированного раствора в более концентрированный.

Во всех рассматриваемых нами случаях в качестве растворителя будет выступать вода. Таким образом, вода движется оттуда, где ее больше (менее концентрированный раствор) туда, где ее меньше (более концентрированный раствор). Осмотические процессы происходят при наличии полупроницаемой мембраны, пропускающей только растворитель — воду. Полупроницаемость мембран обусловлена наличием в ней пор с определенными свойствами и размерами, благодаря чему молекулы с одними свойствами и размерами через нее проникают, а с другими — не проникают. При этом важны не только размеры молекул, но их физико-химические свойства, поэтому возможно, что более крупные молекулы пройдут через мембрану, а более мелкие — не пройдут. Поскольку практически все мембраны организма — полупроницаемые, осмотические процессы в нем определяют всю его жизнедеятельность.

Рис. 2. Осмос. Пояснения в тексте

Для иллюстрации осмоса опишем несложный эксперимент (рис. 2). Возьмем сосуд с дистиллированной водой и разделим его полупроницаемой мембраной на 2 равные части. Естественно, это не вызовет никаких новых явлений в сосуде, так как по обе стороны мембраны имеется только растворитель. Растворим в какой-нибудь части сосуда какое-либо вещество (пусть для определенности это будет NaCl в физиологической концентрации — ≈ 0,9%). По обе стороны мембраны возникнет градиент концентраций имеющихся в сосуде веществ: воды и NaCl. Естественно предположить, что должно начаться спонтанное перемешивание веществ, которое приведет к выравниванию концентраций в обеих половинах сосуда. Однако полупроницаемая мембрана не пропускает растворенное вещество, и оно не сможет двигаться из места с большей концентрацией туда, где его концентрация меньше (в нашем случае — нулевая). Поэтому двигаться сможет только вода — из места, где ее больше (100% концентрация), в место, где ее меньше (≈ 99,1%). До каких же пор будет происходить этот процесс? Эксперимент неопровержимо свидетельствует, что в конце концов движение воды прекратится, и нам нужно разобраться, почему. Для этого проведем следующие рассуждения.

Поскольку вода движется, должна существовать некая сила, заставляющая ее двигаться. Когда же движение прекращается, это означает, что появляется другая, равная по величине и обратная по направлению, сила, препятствующая продолжению движения. Что же это за сила? Обратимся к рис. 3.

Рис. 3. Осмос. Пояснения в тексте

В процессе перемещения растворителя уровень жидкости в левой части рисунка понижается, а в правой — настолько же повышается. Это приводит к появлению разницы гидростатических давлений в обеих половинах сосуда, равной ρgh, где h — разность высот столбов жидкости в обеих частях сосуда. Когда h достигнет величины, обеспечивающей давление, равное и противоположно направленное давлению силы, движущей растворитель через мембрану, его движение прекратится. Величина этого давления равна осмотическому давлению раствора, находящегося в правой половине сосуда. Если бы мы захотели сразу воспрепятствовать перемещению растворителя через мембрану, нам было бы необходимо приложить к раствору (правая половина сосуда) давление, равное осмотическому давлению раствора (рис. 4).

Осмотическое давление раствора равно давлению, которое необходимо приложить к раствору, чтобы воспрепятствовать перемещению в него чистого растворителя.

Осмотическое давление можно определить и так:

это давление, под которым растворитель проникает в раствор через полупроницаемую мембрану.

Естественно, осмотическое давление обнаруживается только при наличии мембраны, проницаемой лишь для растворителя.

Как и любое давление, осмотическое давление можно измерять в атмосферах, мм рт. ст., паскалях, мм вод. ст. и т.п. Однако не всегда эти единицы удобны. Так, осмотическое давление крови, выраженное в атмосферах, составляет в среднем 6,62 атм. (естественно, по закону изоосмолярности, такое же давление будет и в других секторах организма). Поэтому для выражения осмотического давления была избрана другая единица измерения. Перед тем, как с ней познакомиться, опишем еще один эксперимент.

Рис. 4. Осмос. Пояснение в тексте

Возьмем опять наш сосуд, разделенный пополам полупроницаемой мембраной, в одной части которого остался наш физиологический раствор NaCl, и растворим в другой его части, например, глюкозу до 5,5% (точнее — до 5,544%) концентрации (рис. 5).

Несмотря на различие концентраций веществ по обе стороны мембраны, движения растворителя (воды) не наблюдается, о чем неопровержимо свидетельствует эксперимент[1]. Отсутствие движения растворителя означает, что осмотические давления растворов по обе стороны мембраны равны, хотя их массовые концентрации и, следовательно, плотности, различны. Значит, такой способ выражения концентрации (как и объемные проценты) не отражает осмотического давления раствора.

Уже давно различные физико-химические исследования растворов доказали, что осмотическое давление зависит исключительно от количества растворенных частиц (молекул, ионов) и не зависит от их свойств (размеров, массы, электрического заряда и т.п.). Значит, нам нужна единица, отражающая количество частиц. Такой единицей является моль. 1 моль какого-либо вещества имеет массу, выраженную в граммах, численно равную молекулярной массе вещества, которую можно узнать, заглянув в таблицу Менделеева. Например, 1 моль углерода имеет массу 12 г, железа — 56 г, кислорода — 32 г (16+16, так как молекула O₂ состоит из двух атомов). Чем тяжелее частица (молекула), тем тяжелее 1 моль вещества, сложенного из этих частиц (молекул). Но самое замечательное в этой единице то, что 1 моль любого вещества содержит одинаковое количество молекул, равное ≈ 6,02∙10²³ (число Авогадро). Отсюда ясно, что поскольку осмотическое давление раствора зависит от количества растворенных частиц, а это количество можно выразить количеством молей вещества, осмотическое давление можно (и это удобно!) выражать молярной концентрацией раствора (осмолярностью).

Рис. 5. Осмос. Пояснения в тексте

Единицей осмолярности служит моль/л, то есть количество молей вещества, растворенного в 1 л раствора. В медицине чаще всего удобнее пользоваться единицей ммоль/л (1 моль/л = 1000 ммоль/л). Иногда пользуются моляльной концентрацией (осмоляльность) — количеством молей (миллимолей) растворенного вещества в 1 кг растворителя (моль/кг или ммоль/кг). Однако, поскольку в организме все рассматриваемые растворы водные и 1 л воды имеет массу 1 кг, а растворы слабоконцентрированные (среднее содержание воды в крови ≈92%), то в водных растворах молярная и моляльная концентрация численно практически не отличается друг от друга, и разницей пренебрегают .

Осмотическое давление крови, выраженное в единицах молярной концентрации, составляет 300 ммоль/л с колебаниями от 285 до 310 ммоль/л. Эта величина имеет чрезвычайно важное значение, и организм стремится ее поддерживать в этих довольно узких пределах. Состояния, при которых осмолярность снижается, мы будем называть гипоосмолярными, а при которых повышается — гиперосмолярными. Осмолярность, как и огромное количество других показателей, должна быть объектом пристального внимания во время интенсивного наблюдения. Ее можно измерять непосредственно осмометром, а можно оценить расчетным методом.

Принцип работы осмометра основан на следующем физическом факте. Количество растворенных частиц однозначно определяет не только осмотическое давление, но и температуру замерзания и кипения раствора. Чем выше осмолярность, тем ниже температура замерзания и выше температура кипения раствора. Осмометр измеряет температуру замерзания биологической жидкости, являющейся водным раствором. Эта температура всегда будет меньше 0 °C. Каждой температуре замерзания однозначно соответствует определенная молярная концентрация раствора, то есть его осмотическое давление (независимо от качественного состава раствора).

О том, как оценивается осмолярность с помощью расчетного метода, познакомимся в следующем разделе.