Proste przedstawienie osmozy pomiędzy obszarami o niskiej i wysokiej koncentracji cząsteczek.
Osmoza –
dyfuzja
rozpuszczalnika
przez
błonę półprzepuszczalną
rozdzielającą dwa roztwory o różnym
stężeniu
. Osmoza spontanicznie zachodzi od roztworu o niższym stężeniu substancji rozpuszczonej do roztworu o wyższym, czyli prowadzi do wyrównania stężeń obu roztworów.
W kontekście osmozy roztwór z którego ubywa rozpuszczalnika nazywa się
hipotonicznym
, tego w którym przybywa nazywa się
hipertonicznym
. Gdy roztwory pozostają w równowadze osmotycznej, mówi się że są wzajemnie
izotoniczne
względem siebie.
Zjawisko odkryto, badając
plazmolizę
komórek
skórki
liści zapasowych
cebuli
– dotyczyło więc żywych komórek, w których błoną półprzepuszczalną jest
błona komórkowa
, a
roztworami
zawartość komórki i płyn pod
szkiełkiem nakrywkowym
preparatu mikroskopowego
.[] Później nauczono się wytwarzać sztuczne błony półprzepuszczalne (np.
celofan
) i okazało się, że samo zjawisko nie jest specyficzną cechą życia. Może zachodzić w różnych rozpuszczalnikach i dotyczyć różnych substancji rozpuszczonych.
Mechanizm osmozy w uproszczeniu
Aby doszło do osmozy błona rozdzielająca roztwory musi mieć inną przepuszczalność dla rozpuszczalnika i inną dla substancji rozpuszczonej. W różnych błonach wynika to z różnych przyczyn. Dla uproszczenia można sobie błonę wyobrazić jako rodzaj cienkiej gąbki o takich rozmiarach porów, że mniejsze cząsteczki są przepuszczane a większe zatrzymywane. Cząsteczki rozpuszczalnika i substancji rozpuszczonej wewnątrz objętości
cieczy
pozostają w ciągłym, spontanicznym, chaotycznym ruchu we wszystkich kierunkach. Każda cząsteczka wcześniej czy później zderza się z membraną i jeśli trafi w miejsce gdzie jest otwór przepływa przez membranę na drugą stronę.
Po przyjęciu, że błona swobodnie przepuszcza mniejsze cząsteczki rozpuszczalnika i całkowicie zatrzymuje większe cząsteczki substancji rozpuszczonej zjawisko osmozy można sobie w dużym uproszczeniu wyobrazić następująco:
- Po obu stronach membrany mamy czysty rozpuszczalnik:
- Liczba cząsteczek rozpuszczalnika przenikających przez membranę w obie strony jest jednakowa i układ znajduje się w
stanie równowagi
.
- Po jednej stronie jest czysty rozpuszczalnik a po drugiej roztwór:
- Na skutek tego, że po stronie roztworu jest w jednostce objętości nieco mniej cząsteczek rozpuszczalnika niż po stronie czystego rozpuszczalnika, statystycznie cząsteczki rozpuszczalnika nieco częściej trafiają w pory niż po drugiej stronie i w efekcie nieco więcej przenika ich w kierunku do roztworu niż w drugą stronę. W efekcie cząsteczek rozpuszczalnika po stronie "czystej" stopniowo zaczyna ubywać, a po stronie roztworu stopniowo zaczyna przybywać.
- Po obu stronach mamy roztwory o różnych stężeniach.
- Podobnie jak w poprzednim przypadku w jednostce objętości w roztworze o wyższym stężeniu jest mniej cząsteczek rozpuszczalnika niż po drugiej stronie; stąd statystycznie rzadziej zdarza się aby trafiły one w pory membrany niż po drugiej stronie i w efekcie mniej ich przepływa w stronę roztworu o mniejszym stężeniu niż w drugą stronę; w efekcie z roztworu o niższym stężeniu stopniowo ubywa cząsteczek rozpuszczalnika i w końcu dochodzi do stanu, w którym stężenia po obu stronach membrany się wyrównują.
Teoria osmozy
Opisany wyżej mechanizm jest jedynie bardzo uproszczonym wyobrażeniem osmozy. W rzeczywistości przeniknięcie rozpuszczalnika przez błonę wymaga zawsze pewnego nakładu energii wynikającego ze specyficznych oddziaływań cząsteczek z błoną, co powoduje, że dojście do stanu równowagi wymaga nieskończonego czasu. Ponadto o szybkości i kierunku osmozy nie decyduje bezpośrednio stężenie lecz cząstkowe
potencjały chemiczne
substancji, których cząsteczki są zdolne przenikać przez błonę. Potencjał ten jest funkcją
stężenia molowego
tych substancji, ich
współczynników aktywności
oraz wzajemnych oddziaływań.
Różnica potencjałów chemicznych między dwoma oddzielonymi membraną roztworami wywołuje
ciśnienie osmotyczne
, które działa na membranę w kierunku przepływu rozpuszczalnika. W przybliżeniu, dla układu roztworu i czystego rozpuszczalnika ciśnienie to można obliczyć posługując się równaniem van 't Hoffa
- π = [X]RT
- gdzie R -
stała gazowa
, T -
temperatura
, [X] -
aktywność molowa
- obliczona dla rozpuszczalnika.
Ciśnieniu osmotycznemu można się przeciwstawić, np. wywierając na zbiornik z roztworem hipertonicznym ciśnienie skierowane w stronę błony, co może prowadzić do zahamowania osmozy lub przy ciśnieniu przekraczającym ciśnienie osmotyczne do zjawiska
odwróconej osmozy
.
Osmoza w organizmach żywych
Zachowanie komórki roślinnej znajdującej się w roztworze hiper-, izo- i hipotonicznym
Zachowanie komórki zwierzęcej (erytrocytu) znajdującej się w roztworze hiper-, izo- i hipotonicznym
Komórki
organizmów
żywych w kontakcie z roztworem hipotonicznym ulegają powiększeniu. Jeśli komórka nie ma
ściany komórkowej
, może nawet ulec rozsadzeniu. Trafiając do roztworu hipertonicznego, komórki kurczą się, podlegając różnego stopnia plazmolizie. Płukanie
gardła
specjalnymi roztworami
soli
pozbawia komórki
bakteryjne
wody
i powoduje ich
śmierć
przez
odwodnienie
i
denaturację
.
Rośliny
wykorzystują zjawiska osmotyczne do transportu wody od
korzeni
do
liści
. Zjawiska osmotyczne zapewniają sztywność liści i
łodyg
(we współdziałaniu z niektórymi
tkankami
), są też podstawą działania
aparatu szparkowego
. U
zwierząt
zjawiska osmozy są elementem procesów
homeostazy
.
Bibliografia
- Burrows, A, Holman, J, Parson, A., Pilling, G, Price, G: Chemistry3: introducing inorganic, organic and physical chemistry. Oxford: Oxford University Press, 2009, ss. 848-851. .
Zobacz też