Что значит "осмотическое давление"

избыточное гидростатическое давление на раствор, отделенный от чистого растворителя полупроницаемой мембраной, при котором прекращается диффузия растворителя через мембрану; уровень О. д. в клетках и внутренней среде организма играет важную роль в процессах его жизнедеятельности.

диффузное давление, термодинамический параметр, характеризующий стремление раствора к понижению концентрации при соприкосновении с чистым растворителем вследствие встречной диффузии молекул растворённого вещества и растворителя. Если раствор отделен от чистого растворителя полупроницаемой мембраной, то возможна лишь односторонняя диффузия ≈ осмотическое всасывание растворителя через мембрану в раствор. В этом случае О. д. становится доступной для прямого измерения величиной, равной избыточному давлению, приложенному со стороны раствора при осмотическом равновесии (см. Осмос ). О. д. обусловлено понижением химического потенциала растворителя в присутствии растворённого вещества. Тенденция системы выравнивать химические потенциалы во всех частях своего объёма и перейти в состояние с более низким уровнем свободной энергии вызывает осмотическое (диффузионный) перенос вещества. О. д. в идеальных и предельно разбавленных растворах не зависит от природы растворителя и растворённых веществ; при постоянной температуре оно определяется только числом «кинетических элементов» ≈ ионов, молекул, ассоциатов или коллоидных частиц ≈ в единице объёма раствора. Первые измерения О. д. произвёл В. Пфеффер (1877), исследуя водные растворы тростникового сахара. Его данные позволили Я. X. Вант-Гоффу установить (1887) зависимость О. д. от концентрации растворённого вещества, совпадающую по форме с Бойля ≈ Мариотта законом для идеальных газов. Оказалось, что О. д. (p) численно равно давлению, которое оказало бы растворённое вещество, если бы оно при данной температуре находилось в состоянии идеального газа и занимало объём, равный объёму раствора. Для весьма разбавленных растворов недиссоциирующих веществ найденная закономерность с достаточной точностью описывается уравнением: pV = nRT, где n ≈ число молей растворённого вещества в объёме раствора V; R ≈ универсальная газовая постоянная; Т ≈ абсолютная температура. В случае диссоциации вещества в растворе на ионы в правую часть уравнения вводится множитель i > 1, коэффициент Вант-Гоффа; при ассоциации растворённого вещества i <

1. О. д. реального раствора (p") всегда выше, чем идеального (p"), причём отношение p"/ p" = g, называемое осмотическим коэффициентом, увеличивается с ростом концентрации. Растворы с одинаковым О. д. называется изотоническими или изоосмотическими. Так, различные кровезаменители и физиологические растворы изотоничны относительно внутренних жидкостей организма. Если один раствор в сравнении с другим имеет более высокое О. д., его называют гипертоническим, а имеющий более низкое О. д. ≈ гипотоническим.

   О. д. измеряют с помощью специальных приборов ≈ осмометров. Различают статические и динамические методы измерения. Первый метод основан на определении избыточного гидростатического давления по высоте столба жидкости Н в трубке осмометров (рис.) после установления осмотического равновесия при равенстве внешних давлений pA и рБ в камерах А и Б. Второй метод сводится к измерению скоростей v всасывания и выдавливания растворителя из осмотической ячейки при различных значениях избыточного давления Dp = pA ≈ рБ с последующей интерполяцией полученных данных к n = 0 при Dp = p. Многие осмометры позволяют использовать оба метода. Одна из главных трудностей в измерении О. д. ≈ правильный подбор полупроницаемых мембран. Обычно применяют плёнки из целлофана, природных и синтетических полимеров, пористые керамические и стеклянные перегородки. Учение о методах и технике измерения О. д. называются осмометрией. Основное приложение осмометрии ≈ определение молекулярной массы (М) полимеров. Значения М вычисляют из соотношения , где с ≈ концентрация полимера по массе; А ≈ коэффициент, зависящий от строения макромолекулы.

   О. д. может достигать значительных величин. Например, 4%-ный раствор сахара при комнатной температуре имеет О. д. около 0,3 Мн/м2, а 53%-ный ≈ около 10 Мн/м2; О. д. морской воды около 0,27 Мн/м

2. Л. А. Шиц.

   О. д. в клетках животных, растений, микроорганизмов и в биологических жидкостях зависит от концентрации веществ, растворённых в их жидких средах. Солевой состав биологических жидкостей и клеток, характерный для организмов каждого вида, поддерживается избирательной проницаемостью биологических мембран для разных солей и активным транспортом ионов. Относительное постоянство О. д. обеспечивается водно-солевым обменом , т. е. всасыванием, распределением, потреблением и выделением воды и солей (см. Выделение , Выделительная система , Осморегуляция ). У т. н. гиперосмотических организмов внутреннего О. д. больше внешнего, у гипоосмотических ≈ меньше внешнего; у изоосмотических (пойкилоосмотических) внутреннее О. д. равно внешнему. В первом случае ноны активно поглощаются организмом и задерживаются в нём, а вода поступает через биологич. мембраны пассивно, в соответствии с осмотическим градиентом. Гиперосмотическая регуляция свойственна пресноводным организмам, мор. хрящевым рыбам (акулы, скаты) и всем растениям. У организмов с гипоосмотической регуляцией имеются приспособления для активного выделения солей. У костистых рыб преобладающие в океанических водах ионы Na+ и Cl≈ выделяются через жабры, у морских пресмыкающихся (змеи и черепахи) и у птиц ≈ через особые солевые железы, расположенные в области головы. Ионы Mg2+, , ═у этих организмов выделяются через почки. О. д. у гипер- и гипоосмотических организмов может создаваться как за счёт ионов, преобладающих во внешней среде, так и продуктов обмена. Например, у акуловых рыб и скатов О. д. на 60% создаётся за счёт мочевины и триметиламмония; в плазме крови млекопитающих ≈ главным образом за счёт ионов Na+ и Cl≈; в личинках насекомых ≈ за счёт разнообразных низкомолекулярных метаболитов. У морских одноклеточных, иглокожих, головоногих моллюсков, миксин и др. изоосмотических организмов, у которых О. д. определяется О. д. внешней среды и равно ему, механизмы осморегуляции отсутствуют (исключая клеточные).

   Диапазон средних величин О. д. в клетках организмов, не способных поддерживать осмотический гомеостаз , довольно широк и зависит от вида и возраста организма, типа клеток и О. д. окружающей среды. В оптимальных условиях О. д. клеточного сока наземных органов болотных растений колеблется от 2 до 16 ат, у степных ≈ от 8 до 40 ат. В разных клетках растения О. д. может резко различаться (так, у мангровых О. д. клеточного сока около 60 ат, а О. д. в сосудах ксилемы не превышает 1≈2 ат). У гомойосмотических организмов, т. е. способных поддерживать относительное постоянство О. д., средней величины и диапазон колебаний О. д. различны (дождевой червь ≈ 3,6≈4,8 ат, пресноводные рыбы ≈ 6,0≈6,6, океанические костистые рыбы ≈ 7,8≈8,5, акуловые ≈ 22,3≈23,2, млекопитающие ≈ 6,6≈8,0 ат). У млекопитающих О. д. большинства биологических жидкостей равно О. д. крови (исключение составляют жидкости, выделяемые некоторыми железами, ≈ слюна, пот, моча и др.). О. д., создаваемое в клетках животных высокомолекулярными соединениями (белки, полисахариды и др.), незначительно, но играет важную роль в обмене веществ (см. Онкотическое давление ).

   Ю. В. Наточин, В. В. Кабанов.

   Лит.: Мелвин-Хьюз Э. А., Физическая химия, пер. с англ., кн. 1≈2, М., 1962; Курс физической химии, под ред. Я. И. Герасимова, т. 1≈2, М. ≈ Л., 1963≈1966; Пасынский А. Г., Коллоидная химия, 3 изд., М., 1968: Проссер Л., Браун Ф., Сравнительная физиология животных, пер. с англ., М., 1967; Гриффин Д., Новик Эл., Живой организм, пер. с англ., 1973; Нобел П., Физиология растительной клетки (физико-химический подход), пер. с англ., М., 197

эритроцитов с растворами в зависимости от их осмотического давления. Если же подобный раствор находится в замкнутом пространстве, например, в клетке крови , то осмотическое давление может привести к разрыву клеточной мембраны. Именно по этой причине лекарства , предназначенные для введения в кровь, растворяют в изотоническом растворе , содержащем столько хлорида натрия , сколько нужно, чтобы уравновесить создаваемое клеточной жидкостью осмотическое давление. Если бы вводимые лекарственные препараты были изготовлены на воде или очень сильно разбавленном (гипотоническом по отношению к цитоплазме ) растворе, осмотическое давление, заставляя воду проникать в клетки крови, приводило бы к их разрыву. Если же ввести в кровь слишком концентрированный раствор хлорида натрия (3—10 %, гипертонические растворы), то вода из клеток будет выходить наружу, и они сожмутся. В случае растительных клеток происходит отрыв протопласта от клеточной оболочки , что называется плазмолизом . Обратный же процесс, происходящий при помещении сжавшихся клеток в более разбавленный раствор, — соответственно, деплазмолизом .

Величина осмотического давления, создаваемая раствором, зависит от количества, а не от химической природы растворенных в нём веществ (или ионов , если молекулы вещества диссоциируют), следовательно, осмотическое давление является коллигативным свойством раствора . Чем больше концентрация вещества в растворе , тем больше создаваемое им осмотическое давление. Это правило, носящее название закона осмотического давления, выражается простой формулой, очень похожей на некий закон идеального газа :

где i — изотонический коэффициент раствора; C — молярная концентрация раствора, выраженная через комбинацию основных единиц СИ , то есть, в моль/м³; R — универсальная газовая постоянная ; T — термодинамическая температура раствора.

Это показывает также схожесть свойств частиц растворённого вещества в вязкой среде растворителя с частицами идеального газа в воздухе . Правомерность этой точки зрения подтверждают опыты Ж. Б. Перрена ( 1906 ): распределение частичек эмульсии смолы гуммигута в толще воды в общем подчинялось закону Больцмана .

Осмотическое давление, которое зависит от содержания в растворе белков, называется онкотическим (0,03—0,04 атм). При длительном голодании, болезни почек концентрация белков в крови уменьшается, онкотическое давление в крови снижается и возникают онкотические отёки: вода переходит из сосудов в ткани, где π больше. При гнойных процессах π в очаге воспаления возрастает в 2—3 раза, так как увеличивается число частиц из-за разрушения белков .

В организме осмотическое давление должно быть постоянным (около 7,7 атм). Поэтому пациентам вводят изотонические растворы (растворы, осмотическое давление которых равно π ≈ 7,7 атм. (0,9 % NaCl — физиологический раствор, 5 % раствор глюкозы ). Гипертонические растворы, у которых π больше, чем π, применяются в медицине для очистки ран от гноя (10 % NaCl ), для удаления аллергических отёков (10 % CaCl , 20 % глюкоза ), в качестве слабительных лекарств ( NaSO∙10HO , MgSO∙7HO ).

Закон осмотического давления можно использовать для расчёта молекулярной массы данного вещества .