Осмотическое давление

Под осмосом (от греческого слова osmos - толчок, давление) принято понимать явление переноса растворителя через полупроницаемые мембраны, которые пропускают отдельные молекулы растворителя, но препятствуют при этом прохождению растворенных ионов. В применении к двум объемам морской воды с разными соленостями это явление означает, что через мембрану из раствора с меньшей соленостью в раствор с большей соленостыо будет переходить больше молекул воды, чем в обратном направлении. Равновесие при одинаковой температуре растворов наступит только в том случае, когда химические потенциалы чистой воды х(р,Т) по обе стороны мембраны сравняются. Этого можно достичь, если давление в ограниченном объеме, который имеет более высокую соленость и пополняется через мембрану, будет выше, нежели в объеме с меньшей соленостью. Разность давлений, при которой наступает равновесие химических потенциалов чистой воды по обе стороны мембраны, и называется осмотическим давлением.

Осмотическое давление в общем виде для разбавленных растворов подчиняется закону Вант-Гоффа:

где Ас - разность молярных концентраций солей по обе стороны мембраны, моль м'3; R - универсальная газовая постоянная; Г - абсолютная температура, “К; Р - осмотическое давление, Па.

Прямые измерения осмотического давления для морской воды весьма затруднены, поэтому обычно используются эмпирические связи между коллигативными свойствами.

Стениус в 1904 г. эмпирическим путем установил, что осмотическое давление в морской воде тесно связано с величиной понижения температуры замерзания при увеличении солености. Соотношение между осмотическим давлением Р0 (в атмосферах) при 0° С и температурой замерзания Tf выглядит так [70]:

В этой формуле осмотическое давление рассчитывается как разность давлений между раствором с соленостью S, имеющим температуру замерзания Tf, и водой с нулевой соленостью, у которой температура замерзания равна 0° С.

Если температура раствора отлична от 0° С, то осмотическое давление РТ - абсолютная температура, °К) можно выразить следующей формулой:

Различия в величинах осмотического давления, полученных по эмпирической формуле (7.11) и теоретическому соотношению (7.9), не превышают 1 атмосферы [31], но эмпирическая формула более удобна для практического использования. Если перейти от давления в атмосферах к давлению в барах (1 атм=101325 Па= 1,01325 бар) и выразить величину Tf в соответствии с полиномом (7.3), то выражение для осмотического давления Р0 (бар) как функции температуры (°К), солености S и внешнего давления р (бар) примет вид:

Для практической солености 5=35 и внешнего давления р= 1 атм осмотическое давление достигает 24,2 бар при температуре 278° К (5° С) и 26,7 бар при температуре 35° С. Для сравнения, осмотическое давление кровяной плазмы человека составляет 7,7 бар, что для температуры 36,6° С соответствует 5=10,4. Величина Р почти линейно возрастает с увеличением солености - примерно на 0,7 бар на каждую единицу практической солености (рис. 7.3).

Несколько более сложную зависимость осмотического давления от температуры и солености при атмосферном внешнем давлении приводит в своей работе Ф. Миллеро [82]. Вместо линейной зависимости величины Р от температуры Г в формуле (7.12) автор предложил квадратичную, хотя результат при этом изменился менее чем на 0,4 бар.

Осмотическое давление играет важнейшую роль в физиологии, определяя перенос воды и растворенных веществ через биологические мембраны. В частности, если пресноводную лягушку поместить в океанскую воду, то она вскоре потеряет примерно пятую часть своего веса из-за меньшей концентрации соли внутри организма. С другой стороны, морские животные, попавшие в пресную воду, набирают избыток внутриклеточной жидкости, клетки при этом разбухают и лопаются. Это явление называется лизисом. Автолизирующий фермент вырабатывается при нересте у некоторых проходных рыб, что ведет к быстрому разложению их тканей после гибели и способствует ускорению поступления в воду органических веществ, необходимых для развития икры [43].

Зависимость осмотического давления морской воды (бар) от солености и температуры при атмосферном давлении (а), давления и температуры при S=35 епс (б)

Рис. 7.3. Зависимость осмотического давления морской воды (бар) от солености и температуры при атмосферном давлении (а), давления и температуры при S=35 епс (б)

По отношению к осмотическому давлению все морские организмы можно разбить на зри группы.

К первой группе принадлежат почти все морские беспозвоночные. Осмотическое давление, температура замерзания и химический состав их крови (внутриклеточных жидкостей) весьма близки к тем же свойствам морской воды, в которой они обитают.

При переходе этих организмов из воды большей солености в воду с меньшей соленостью они испытывают лизис.

Ко второй группе относятся акулы и скаты. Осмотическое давление их крови также равно осмотическому давлению окружающей воды, но выравнивание идет частично за счет солей и частично за счет мочевины.

Третья группа объединяет организмы, у которых осмотическое давление отличается от морской воды. Например, у морских костистых рыб осмотическое давление несколько ниже, чем в морской воде, а млекопитающие и некоторые рыбы являются осмотически совершенно независимы от морской воды. У растений осмотическое давление (тургор) всегда выше осмотического давления окружающей воды. При этом у видов, живущих в более соленой воде, осмотическое давление больше, чем у видов, живущих в море с менее соленой водой.

В общем можно сказать, что чем выше развит организм, тем более развита его осмотическая независимость от окружающей среды.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >