Надіслати свою гарну роботу до бази знань просто. Використовуйте форму нижче
Студенти, аспіранти, молоді вчені, які використовують базу знань у своєму навчанні та роботі, будуть вам дуже вдячні.
Розміщено на http://www.allbest.ru/
Сутність процесу осмосу та його роль у біологічних системах
Вступ
1. Прямий осмос
1.1 Сутність процесу
1.2 Осмотичний тиск
2. Механізм прямого осмосу у біологічних системах
2.1 Структура біологічної мембрани
2.2 Механізм прямого осмосу
3. Зворотний осмос
Висновок
Список літератури
Уведення
Явище осмосу є основою обміну речовин всіх живих організмів. Завдяки йому у кожну живу клітину надходять поживні речовини і, навпаки, виводяться шлаки. Явище осмосу спостерігається, коли два соляні розчини з різними концентраціями розділені напівпроникною мембраною.
В даний час мембранна технологія є однією з областей технології, що найбільш динамічно розвиваються. Вона набула широкого поширення, як у промисловому, і на побутовому рівні.
Основною сферою застосування мембранної технології є водоочищення та водопідготовка, проте її застосування не обмежується цим.
У хімічній та нафтохімічній промисловості мембранні методи поділу використовуються для поділу вуглеводнів, сумішей високомолекулярних та низькомолекулярних сполук, азеотропних сумішей, зміщення рівноваги хімічних реакцій шляхом видалення через мембрану одного з її продуктів, концентрування розчинів, виділення гелію та водню з природних газів та кисню т.п.
У мікробіології та медичній промисловості широке застосування мембранні методи знаходять у процесах виділення та очищення біологічно активних речовин, вакцин, ферментів, гормонів, вірусів, очищення крові та вирішення інших технологічних завдань.
Мета дослідження – вивчити сутність процесу осмосу та його роль у біологічних системах.
1. Прямий осмос
1.1 Звучність процесу
Явище осмосу спостерігається в тих середовищах, де рухливість розчинника більша за рухливість розчинених речовин.
Важливим окремим випадком осмосу є осмос через напівпроникну мембрану.
Напівпроникними називають мембрани, які мають досить високу проникність не для всіх, а лише для деяких речовин, зокрема для розчинника.
(Рухливість розчинених речовин у мембрані прагне нуля).
Як правило, це пов'язано з розмірами та рухливістю молекул, наприклад, молекула води менша за більшість молекул розчинених речовин.
Якщо така мембрана поділяє розчин і чистий розчинник, то концентрація розчинника в розчині виявляється менш високою, оскільки частина його молекул заміщена на молекули розчиненої речовини (Рис. 1).
Малюнок 1. Прямий осмос
Внаслідок цього переходи частинок розчинника з відділу, що містить чистий розчинник, в розчин відбуватимуться частіше, ніж у протилежному напрямку.
Відповідно, обсяг розчину збільшуватиметься (а концентрація речовини зменшуватиметься), тоді як обсяг розчинника відповідно зменшуватиметься.
Наприклад, до яєчної шкаралупи з внутрішньої сторони прилягає напівпроникна мембрана: вона пропускає молекули води та затримує молекули цукру. Якщо такою мембраною розділити розчини цукру з концентрацією 5 і 10 % відповідно, через неї в обох напрямках проходитимуть лише молекули води.
У результаті більш розбавленому розчині концентрація цукру підвищиться, а більш концентрованому, навпаки, знизиться. Коли концентрація цукру в обох розчинах стане однаковою, настане рівновага. Розчини, що досягли рівноваги, називаються ізотонічними. Якщо вжити заходів, щоб концентрації не змінювалися, осмотичний тиск досягне постійної величини, коли зворотний потік молекул води зрівняється з прямим.
Осмос, спрямований всередину обмеженого обсягу рідини, називається ендосмосом, назовні - екзомосом. Перенесення розчинника через мембрану обумовлено осмотичним тиском.
Цей осмотичний тиск виникає відповідно до Принципу Ле-Шательє через те, що система намагається вирівняти концентрацію розчину в обох середовищах, розділених мембраною, і описується другим законом термодинаміки.
Воно дорівнює надмірному зовнішньому тиску, який слід прикласти з боку розчину, щоб припинити процес, тобто створити умови осмотичної рівноваги. Перевищення надлишкового тиску над осмотичним може призвести до навернення осмосу - зворотної дифузії розчинника.
У випадках, коли мембрана проникна не тільки для розчинника, але і для деяких розчинених речовин, перенесення останніх з розчину в розчинник дозволяє здійснити діаліз, що застосовується як спосіб очищення полімерів та колоїдних систем від низькомолекулярних домішок,
1.2 Осмотичний тиск
Осмос можна пояснити тим, що концентрація молекул води в одиниці об'єму в одній посудині більша, ніж в іншій, або тим, що молекули води в розчині частково зв'язуються молекулами цукру, гідратуючи їх. У розведених розчинах осмос не залежить у явній формі від виду розчиненої речовини та розчинника.
Вирішальне значення має концентрація розчину, точніше – кількість частинок розчиненої речовини в одиниці об'єму.
Для дослідження осмосу застосовують спеціальний прилад (рис.2), що складається з двох судин: зовнішньої та внутрішньої.
Малюнок 2. Схематичне зображення приладу дослідження осмосу
Дно внутрішньої посудини виготовляють із напівпроникної перегородки (пропускає розчинник, але не пропускає розчинену речовину, наприклад, целофан).
У зовнішній посудині - вода. У внутрішньому – розчин у воді. Із зовнішньої посудини вода переходитиме у внутрішній. У внутрішній посудині її рівень підвищуватиметься.
В результаті підвищується гідростатичний тиск, під яким знаходиться розчин у внутрішній посудині. Внаслідок цього швидкість переходу води з внутрішньої посудини у зовнішній зростає. Нарешті, при деякій висоті стовпа розчину швидкості проходження води із зовнішньої судини у внутрішній, і з внутрішньої - у зовнішній зрівняються, і підйом рідини в трубці припиниться.
Тиск, який відповідає такій рівновазі, може бути кількісною характеристикою осмосу. Воно називається осмотичним тиском.
Осмотичним тиском називають тиск, який потрібно прикласти до розчину, щоб привести його в рівновагу з чистим розчинником, відокремленим від нього напівпроникною перегородкою.
Аналізуючи результати вивчення осмотичного тиску, Я. Вант Гофф дійшов висновку, що розчинена речовина в дуже розбавлених розчинах веде себе подібно до того, якби воно знаходилося в газоподібному стані.
Звідси виникла ідея застосування законів ідеальних газів. Тоді для розчину можна записати:
Замінюючи n/V = с, одержуємо рівняння, назване законом Вант-Гоффа.
У цих рівняннях під п розуміється осмотичний тиск.
Лінійна залежність осмотичного тиску від концентрації для більшості розчинів неелектролітів зберігається до концентрацій близько 10-2 моль/л.
Отримаємо рівняння Вант-Гоффа, виходячи з термодинамічних уявлень. Розчинник проникатиме через напівпроникну перегородку доти, доки не встановиться рівновага.
Рівняння Вант-Гоффа показує, що осмотичний тиск дорівнює тому тиску, яке виробляло б розчинена речовина, якби воно у вигляді ідеального газу займало той самий обсяг, що і в розчині за тієї ж температури.
Осмотичний тиск має дуже велике значення у процесах життєдіяльності різних організмів, визначаючи розподіл розчинених речовин та води у тканинах. Осмотичний тиск крові у людини становить приблизно 8.1105 Па (8 атм.).
При зменшенні в організмі вмісту води виникає відчуття спраги, вгамування якої відновлює водно-сольову рівновагу та осмотичний тиск крові.
Від осмотичного тиску залежить, так звана, смокчуча сила клітини, досягаючи у насіння при 6% вологості величини в 4.04 107 (400 атм.), Що забезпечує необхідне для проростання поглинання води навіть із порівняно сухого ґрунту.
З (3) видно, що величина осмотичного тиску визначається лише концентрацією розчиненої речовини, і залежить від природи розчину, що дозволяє віднести цей ефект до коллигативным властивостям.
Розглянемо ще дві властивості такого роду: зниження точки замерзання (затвердіння) речовини та підвищення температури кипіння.
Різниця температур замерзання розчинника та розчину називають зниженням точки замерзання.
Різницю температур кипіння розчину та розчинника називають підвищенням температури кипіння розчину Ткіп.
Обидві ці властивості перебувають у згоді з принципом Ле-Шателье. Щоб продемонструвати сказане, розглянемо рівноважну систему, що складається з двох фаз: тверда речовина А і рідкий розчин речовини, в якому є розчинником.
Збільшимо концентрацію розчину, тобто. вміст компонента в рідкій фазі. Згідно з принципом Ле-Шательє, в системі повинні посилитися процеси, що прагнуть послабити вироблений вплив. В даному випадку це означає, що в системі повинні посилитися процеси, які зможуть зменшити концентрацію розчину.
Для системи, що розглядається, таке можливе лише за рахунок переходу частини розчинника з твердого стану в рідке. Однак, якщо при даній температурі відбувається перехід речовини з твердого стану в рідкий, то ця температура вища за точку замерзання. Отже, точка замерзання розчину зі збільшенням концентрації розчину знизилася.
Аналогічно, виходячи з принципу Ле-Шательє, можна довести підвищення температури кипіння розчину нелетючої речовини.
Для цього розглянемо двофазну систему пар – рідкий розчин. Нехай система перебуває у рівновазі; і нехай одна фаза є пар речовини А, а інша - рідкий розчин речовини В в А.
Збільшимо концентрацію розчину (концентрацію В А). Відповідно до принципу Ле-Шательє, це має ініціювати процеси, що дозволяють нівелювати, зроблене збільшення концентрації.
Тут таких процесів відноситься конденсація розчинника з парової фази. Неважко зрозуміти, що конденсація призведе до зниження тиску пари.
Зниження тиску насиченої пари підвищує температуру кипіння. Кипіння рідини настає тоді, коли тиск насиченої пари над рідиною порівнюється із зовнішнім тиском.
Над розчином тиск насиченої пари знижується. Це означає, що для досягнення зазначеної рівності тиску розчин необхідно додатково нагріти. Звідси твердження підвищення температури кипіння розчину проти чистим речовиною.
Ефект підвищення температури кипіння можна пояснити інакше (рис.3).
Малюнок 3. Підвищення температури кипіння
Дійсно, в тих випадках, коли розчинена речовина має зневажливий малий тиск пари, тиск пари розчину дорівнює тиску пари розчинника. Для ідеальних розчинів тиск пари розчинника визначається законом Рауля:
де індекси «А» і «В» відносяться до розчинника та розчиненої речовини, відповідно.
З (4) слід, що з зростанні хв тиск насиченої пари зменшується, отже, температура кипіння зростає.
Все сказане демонструє малюнок, що відбиває залежність тиску насиченої пари над речовиною від температури.
Кипіння настає за рівності тиску насиченої пари над рідиною тиску зовнішньому (атмосферному).
Щоб знайти температури кипіння чистого розчинника та розчинів, достатньо знайти точки перетину ізобари при р = 1,013 10-5 Па з кривими діаграми стану в координатах р - Т (див. рис.1). З малюнка можна бачити, що розчин кипить за більш високої температури, ніж чистий розчинник.
осмос біологічний мембрана дифузія
2. Механізм прямого осмосу у біологічних системах
Форми зв'язку вологи у цій системі відіграють істотну роль формуванні механізму прямого осмосу і фактично зумовлюють напівпроникність клітинної мембрани.
Класифікацію форм зв'язку вологи подібної двофазної системи, розділеної біологічною мембраною, розглянемо з погляду класифікації форм зв'язку вологи, запропонованої П.А. Ребіндером, яка дозволяє враховувати як природу утворення різних форм зв'язку, так і енергію їх зв'язку з матеріалами.
Відповідно до точки зору цієї класифікації вологу, локалізовану всередині дріжджової клітини, необхідно розглядати як осмотично утримувану вологу, обумовлену вибірковою дифузією води з навколишнього середовища. Осмотично утримувана волога характеризується енергією зв'язку слабкої інтенсивності, за своїми властивостями не відрізняється від звичайної води і має здатність вільно дифундувати через клітинні мембрани під впливом різниці концентрацій усередині та поза клітинами.
До категорії внутрішньоклітинної вологи можна віднести і вологу, іммобілізовану в капілярах клітинної стінки дріжджової клітини - капілярну вологу, яка відіграє істотну роль механізмі перерозподілу вологи і фактично зумовлює напівпроникність біомембрани.
Так, з аналізу наукової літератури відомо, що волога, локалізована в капілярах діаметром понад 10-7 м (волога макрокапілярів), не має зв'язку з матеріалом і може вільно переміщатися у процесі дифузії.
У свою чергу волога, локалізована в капілярах діаметром менше 10-7 м (волога мікрокапілярів) і обумовлена адсорбційним зв'язком полімолекулярного шару поблизу стінок капіляра, і не є вільною. Така волога не бере участі в дифузійних процесах через особливі властивості характерних для пов'язаної вологи.
Як правило, адсорбційно-пов'язана волога, іммобілізована на поверхні біомембрани у вигляді поверхневого мономолекулярного шару адсорбованої води (гідратної оболонки), також не бере участі в процесах перерозподілу вологи через високі значення енергії зв'язку молекул води з поверхнею біомембрани. Наступні шари адсорбційно-пов'язаної рідини (полімолекулярна адсорбція) утримуються менш міцно і можуть залучатися до дифузійних процесів.
Хімічно пов'язана волога не відіграє суттєвої ролі у формуванні механізму перерозподілу вологи, оскільки кількість її незначна, а зв'язки іонної та молекулярної природи дуже міцні.
Таким чином, у формуванні механізму прямого осмосу - перерозподілу вологи через біомембрану дріжджової клітини - беруть участь осмотично утримувана волога, волога макрокапілярів, а також вільна надлишкова позаклітинна волога, локалізована в міжклітинному просторі дріжджової біомаси (рис.
Малюнок 4. Форми зв'язку вологи в дріжджовій клітині, локалізованої в дріжджовій суспензії: 0 - хімічно пов'язана волога; 1 - осмотично утримувана волога (вільна внутрішньоклітинна волога); 2 - вільна волога капілярів (волога макрокапілярів); 3 - пов'язана волога капілярів (волога мікрокапілярів); 4 - адсорбційно-пов'язана волога; 5 - вільна позаклітинна волога (надмірна міжклітинна волога)
2.1 Зтруктура біологічної мембрани
Структура напівпроникної клітинної мембрани дріжджової клітини, що представляє собою капілярно-пористе тіло, відіграє ключову роль у формуванні механізму прямого осмосу - осмотично обумовленого мимовільного процесу перерозподілу вологи з внутрішньоклітинного середовища дріжджової клітини в міжклітинний простір при внесенні в д літа) .
Так, суттєву роль у формуванні механізму перерозподілу грає система пор (капілярів) клітинної стінки біологічної мембрани, яка є напівпроникною, тобто низькоселективною для молекул води і високоселективною для гідратованих іонів осмоіндукуючого компонента.
Виходячи з уявлень про будову розчинів та результатів експериментів, можна стверджувати, що на селективність та проникність мембран впливає гідратуюча здатність іонів.
Явище гідратації полягає в тому, що іони розчинної речовини оточені розчинником і рухаються з деякою його частиною, що вступає з ним у взаємодію.
При цьому може спостерігатись як первинна, так і вторинна гідратація. Первинна гідратація полягає у міцному зв'язуванні іонів молекули води, аж до утворення донорно-акцепторних зв'язків. Вторинна - є електростатичним взаємодія молекул води з первинно гідратованими іонами.
Молекули води, розташовані у безпосередній близькості від іонів розчинених речовин, утворюють гідратну оболонку, число молекул у якій характеризує координаційне число гідратації.
Електростатична взаємодія не є єдиною причиною гідратації – остання може бути обумовлена і хімічними силами.
Враховуючи сказане вище та ґрунтуючись на сучасних уявленнях про зв'язану рідину, процес селективної проникності мембрани дріжджової клітини по відношенню до водних розчинів електролітів можна подати наступним чином.
На поверхні та всередині пор (капілярів) клітинної мембрани дріжджової клітини, локалізованої в дріжджовій суспензії, виникає шар зв'язаної води. Вода на межі розділу фаз мембрана-розчин за своїми властивостями відрізняється від води у вільному стані. Наприклад, зв'язана вода значною мірою втрачає здатність, що розчиняє, тому наявність зв'язаної води в порах клітинної мембрани дріжджових клітин одна з основних причин непрохідності для тих молекул розчинених речовин, для яких пов'язана вода практично не є розчинником. Якщо діаметр d пір мембрани d<2tc+dг.и. (где dг.и. - диаметр гидратированного иона), то через такую мембрану будет проходить только или преимущественно вода, что и обуславливает селективность (полупроницаемость) клеточной мембраны дрожжевой клетки.
Однак якщо для штучних мембран, діаметр пір яких не перевищує діаметр гідратованого іона, характерна 100% селективність, то селективність біологічних мембран ніколи не досягає 100%, так як реальні мембрани мають пори різного діаметру (рис. 5), в тому числі і великі, що перевищують величину 2tc+dг.і., а зв'язана вода хоч і в дуже малих кількостях все ж таки має розчинну здатність.
Малюнок 5. Схема механізму напівпроникності біологічних мембран
Таким чином, ключову роль у формуванні механізму прямого осмосу грає структура біологічної мембрани дріжджової клітини, напівпроникність якої зумовлена:
1) наявністю зв'язаної води у порах мембрани;
2) утворенням у міжклітинній фазі гідратованих іонів – великих конгломератів іонів розчиненої речовини з молекулами води.
2.2 Мєханізм прямого осмосу
Дріжджова клітина, локалізована в дріжджовій суспензії, є системою, що складається з двох фаз, розмежованих клітинною стінкою дріжджової клітини - напівпроникною мембраною.
При зануренні дріжджової суспензії осмоіндукуючого компонента, наприклад хлориду натрію, відбувається розпад солі на безліч мікроскопічних кристалів.
Мікрокристали, що несуть у структурі своєї кристалічної ґрат як позитивно заряджені іони натрію, так і негативно заряджені іони хлору, починають відчувати сили іон-дипольної взаємодії з боку молекул води. У процесі такої взаємодії до позитивно заряджених іонів натрію молекули води притягуються своїми негативними полюсами, а негативно заряджених іонів хлору -позитивними. Проте якщо іони притягують себе молекули води, те й молекули води притягують себе іони. У той самий час притягнуті молекули води відчувають поштовхи із боку непритягнутих молекул води, що у тепловому русі. Цих поштовхів, а також теплових коливань самих іонів виявляється достатнім для того, щоб подолати сили, що утримують іони натрію або хлору в структурі кристалічних ґрат монокристала, і перевести їх у розчин.
Слідом за першим шаром іонів у розчин переходить наступний шар і таким чином йде поступове розчинення мікрокристалу. Іони, що перейшли в розчин, залишаються пов'язаними з молекулами води і утворюють гідрати іонів, які значною мірою ускладнюють зворотну асоціацію іонів з мікрокристалом. Таким чином, з фізичної точки зору процес розчинення солі дріжджової суспензії фактично являє собою процес гідратації іонів осмоіндукуючого компонента, що супроводжується подальшою його дисоціацією і утворенням в розчині (міжклітинному середовищі дріжджової суспензії) безлічі іонів, оточених гідратними оболонками (гідратними оболонками).
Оскільки біомембрана дріжджової клітини є напівнепроникною, компоненти аналізованої системи не є ізольованими один від одного, тому при розчиненні солі в дріжджовій суспензії (зануренні осмоіндукуючого компонента в міжклітинне середовище дріжджової суспензії) сили іон-дипольної взаємодії між молекулами перебувають у міжклітинному просторі (фаза 1), а й молекули води, локалізовані у внутрішньоклітинному просторі дріжджової клітини (фаза 2).
Отже, можна припустити, що хаотичний тепловий рух молекул в результаті взаємодії молекул води та іонів осмоіндукуючого компонента відбувається у всій системі в напрямку більш високої концентрації монокристалів (вищого хімічного потенціалу), тобто спостерігається перерозподіл вологи з внутрішньоклітинного середовища (фаза 1) в міжклітинне середовище (фаза 2).
Оскільки компоненти двофазної системи не ізольовані один від одного, спираючись на вищевикладені умовиводи, а також враховуючи прагнення будь-якої системи до рівноваги, було б логічним припустити, що рух молекул води в системі має відбуватися і у зворотному напрямку, тобто з міжклітинного середовища у внутрішньоклітинне . Однак такого явища не спостерігається в силу особливих властивостей структури клітинної мембрани та певної специфіки форм зв'язку вологи в дріжджовій клітині, розглянутих вище.
Гідратовані іони, що утворилися в процесі іон-дипольної взаємодії іонів осмоіндукуючого компонента та молекул води, є досить великими структурними утвореннями і вже не можуть залишити міжклітинний простір (фазу 1). Таким чином, ми можемо спостерігати ситуацію, коли кількість молекул води, що рухаються з фази 1 у фазу 2, значною мірою превалює над числом молекул води, що рухаються у зворотному напрямку через те, що частина молекул води, локалізованих у міжклітинному просторі, не можуть. залишити її у складі конгломерату, що утворився, іона осмоіндукуючого компонента і води (гідратованого іона).
При цьому величина об'ємного потоку з фази 2 у фазу 1 значною мірою превалює над величиною об'ємного потоку у зворотному напрямку і в силу різної рухливості молекул води та гідратованих іонів осмоіндукуючого компонента, тобто фактично ми спостерігаємо ефект перерозподілу частини внутрішньоклітинної вологи в міжклітинний простір (рис. 6)
Подібний перехід вологи через напівпроникну мембрану дріжджової клітини в міжклітинний простір триватиме доти:
а) у міжклітинному просторі дріжджової суспензії будуть присутні частки здатні впливати на процес перерозподілу, тобто аж до повної дисоціації осмоіндукуючого компонента та утворення максимально можливої кількості гідратованих іонів (у разі низької концентрації осмоіндукуючого компонента, що вноситься);
б) присутні в системі молекули води будуть володіти достатньою для іондипольної взаємодії енергією і ступенем свободи (у разі високої концентрації осмоіндукуючого компонента, що вноситься);
в) величина хімічного потенціалу в міжклітинній фазі внаслідок перерозподілу вологи не досягне мінімально можливого показника (у разі повного перерозподілу вологи із внутрішньоклітинного простору у міжклітинний).
Малюнок 6. Схема перерозподілу внутрішньоклітинної вологи в міжклітинний простір через напівпроникну мембрану дріжджової клітини при зануренні в дріжджову суспензію осмоіндукуючого компонента
Наслідком такого перерозподілу вологи є поступове виникнення градієнта тиску – осмотичного тиску, що призводить до фізичної деформації клітинної стінки дріжджової клітини та її стиску – плазмолізу (рис. 7).
Малюнок 7. Зміна форми і розміру дріжджової клітини при зануренні в суспензію дріжджів осмоіндукуючого компонента
Занурення осмоіндукуючого компонента безпосередньо в дріжджову суспензію дозволяє створити умови для індукування в системі максимально можливої кількості частинок здатних впливати на процес перерозподілу, а отже, забезпечити максимальну ефективність осмотичного процесу. У той же час занурення дріжджової суспензії в готовий розчин осмоіндукуючого компонента дає мінімальний осмотичний ефект через відсутність у готовому розчині частинок здатних впливати на процес перерозподілу, тобто якщо в першому випадку процес перерозподілу вологи в біологічній системі формується за рахунок сукупного ефекту концентрацій , то в другому - виключно за рахунок ефекту концентраційного електроосмосу.
Розглянута капілярно-фільтраційна модель перерозподілу вологи через напівпроникну мембрану фактично відображає фізичну модель явища прямого осмосу і дозволяє досить детально уявити процеси, що відбуваються як усередині, так і поза дріжджовою клітиною в процесі перерозподілу, а також пояснити природу самого явища.
3 . Зворотний осмос
У випадку, коли на розчин з більшою концентрацією впливає зовнішній тиск, що перевищує осмотичний, молекули води почнуть рухатися через напівпроникну мембрану у зворотному напрямку, тобто з більш концентрованого розчину менш концентрований. Цей процес називається "зворотним осмосом". За цим принципом і працюють усі мембрани зворотного осмосу.
У процесі зворотного осмосу вода і розчинені у ній речовини поділяються на молекулярному рівні, у своїй з одного боку мембрани накопичується практично ідеально чиста вода, проте забруднення залишаються з іншого боку.
Рисунок 8. Зворотний осмос
Таким чином, зворотний осмос забезпечує набагато більший ступінь очищення, ніж більшість традиційних методів фільтрації, заснованих на фільтрації механічних частинок та адсорбції ряду речовин за допомогою активованого вугілля.
У системах зворотного осмосу побутового призначення тиск вхідної води на мембрану відповідає тиску води у трубопроводі. Якщо тиск зростає, потік води через мембрану також зростає.
Насправді, мембрана в повному обсязі затримує розчинені у питній воді речовини. Вони проникають через мембрану, але у мізерно малих кількостях. Тому очищена вода все-таки містить незначну кількість розчинених речовин. Важливо, що підвищення тиску на вході не призводить до зростання вмісту солей у воді після мембрани. Навпаки, більший тиск води не лише збільшує продуктивність мембрани, а й покращує якість очищення. Іншими словами, чим вищий тиск води на мембрані, тим більше чистої води кращої якості можна отримати.
У процесі очищення води концентрація солей з боку входу зростає, через що мембрана може засмічитися та перестати працювати. Для запобігання цьому вздовж мембрани створюється примусовий потік води, що змиває "розсіл" у дренаж.
Ефективність процесу зворотного осмосу щодо різних домішок та розчинених речовин залежить від низки факторів. Тиск, температура, рівень pH, матеріал, з якого виготовлена мембрана, та хімічний склад вхідної води, впливають на ефективність роботи систем зворотного осмосу.
Неорганічні речовини дуже добре відокремлюються зворотноосмотичною мембраною. Залежно від типу застосовуваної мембрани (ацетатцелюлозна або тонкоплівкова композитна) ступінь очищення становить переважно неорганічних елементів 85%-98%.
Мембрана зворотного осмосу також видаляє з води та органічні речовини. Органічні речовини з молекулярною вагою понад 100-200 видаляються повністю; а з меншим – можуть проникати через мембрану у незначних кількостях. Великий розмір вірусів та бактерій практично виключає ймовірність їх проникнення через мембрану.
У той же час мембрана пропускає розчинені у воді кисень та інші гази, що визначають її смак. В результаті на виході системи зворотного осмосу виходить свіжа, смачна, настільки чиста вода, що вона, строго кажучи, навіть не вимагає кип'ятіння.
Висновок
Осмос відіграє у багатьох біологічних процесах.
Мембрана, що оточує нормальну клітину крові, проникна лише для молекул води, кисню, деяких із розчинених у крові поживних речовин та продуктів клітинної життєдіяльності; для великих білкових молекул, що у розчиненому стані всередині клітини, вона непроникна.
Тому білки, такі важливі для біологічних процесів, залишаються усередині клітини.
Осмос бере участь у перенесенні поживних речовин у стовбурах високих дерев, де капілярне перенесення не здатне виконати цю функцію. Осмос широко використовують у лабораторній техніці: щодо молярних характеристик полімерів, концентруванні розчинів, дослідженні різноманітних біологічних структур.
Осмотичні явища іноді використовуються в промисловості, наприклад, при отриманні деяких полімерних матеріалів, очищенні високомінералізованої води методом зворотного осмосу рідин.
Клітини рослин використовують осмос для збільшення обсягу вакуолі, щоб вона розпирала стінки клітини (тургорне). Клітини рослин роблять це шляхом запасання сахарози. Збільшуючи або зменшуючи концентрацію сахарози у цитоплазмі, клітини можуть регулювати осмос. За рахунок цього підвищується еластичність рослини в цілому. Зі змінами тургорного тиску пов'язані багато рухів рослин (наприклад, рухи вусів гороху та інших рослин, що лазять). Прісноводні найпростіші також мають вакуоль, але завдання найпростіших вакуолей полягає лише у відкачуванні зайвої води з цитоплазми для підтримання постійної концентрації розчинних у ній речовин. Осмос також відіграє велику роль в екології водойм.
Список літератури
1. Дитнерський, Ю.І. Зворотний осмос та ультрафільтрація / Ю. І. Дитнерський - М.: Хімія, 1978. - 352 с
2. Латипов, І.А. Дослідження механізму мимовільних осмотичних процесів масопереносу у системах біологічного походження / І.А. Латипов, М.К. Герасимов// ВісникКазан. технол. ун-ту. – 2008. – №3. - С.85-91
3. Муштаєв, В.І. Сушіння дисперсних матеріалів/В.І. Муштаєв, В.М. Ульянов – М.: Хімія, 1988. – 351 с.
4. Вільямс, В. Фізична хімія для біологів/В. Вільямс, Х. Вільямс. - М: Мир, 1976. - 600 с.
5. Чураєв, Н.В. Фізикохімія процесів масопереносу у пористих тілах / Н.В. Чура - М.: Хімія, 1990. - 271 с.
Розміщено на Allbest.ru
Подібні документи
Принцип детальної рівноваги. Детермінізм класичної механіки. Броунівський рух молекул. Інтегрування рівняння Ланжевена. Коефіцієнт дифузії мембрани. Орієнтація молекул з різних боків від мембрани. Модель рідкокристалічного осмосу.
стаття, доданий 23.06.2012
Пасивний та активний транспорт речовин через мембранні структури. Транспорт неелектролітів шляхом простої та полегшеної дифузії. Пасивне перенесення неелектолітів через біомембрани, рівняння Ріка. Молекулярний механізм активного транспортування іонів.
курсова робота , доданий 25.02.2011
Історія відкриття фізичного явища дифузії. Експериментальне визначення постійних Больцмана та Авогадро. Закономірності броунівського руху. Схема дифузії через напівпроникну мембрану. Застосування фізичного явища дифузія у житті.
реферат, доданий 21.05.2012
Визначення щільності потоку формаміду через плазматичну мембрану Chara ceratophylla завтовшки 8 нм. Розрахунок коефіцієнта проникності плазматичної мембрани Mycoplasma для формаміду. Фіка для дифузії. Розрахунок потенціалу Нернста для іонів.
контрольна робота , доданий 09.01.2015
Іонна природа мембранних потенціалів. Потенціал спокою, рівняння Нернста. Стаціонарний потенціал Гольдмана-Ходжкіна. Рівняння електродифузії іонів через мембрану наближення однорідного поля. Механізм генерації та поширення потенціалу дії.
реферат, доданий 16.12.2015
Розділ фізики низьких температур, що вивчає закономірності зміни властивостей речовин за умов кріогенних температур. Робоче тіло у кріогенних системах. Відновлення біологічних функцій після розморожування. Температура конденсації газу.
презентація , додано 10.08.2013
Визначає теплоту згоряння палива, обсяги продуктів згоряння. Визначення коефіцієнта тепловіддачі у теплообміннику. Рівняння теплового балансу контактного теплообмінника. Підбір та розрахунок газопальникових пристроїв у системах теплогазопостачання.
курсова робота , доданий 07.04.2015
Скануючий тунельний мікроскоп, застосування. Принцип впливу атомного силового мікроскопа. Дослідження біологічних об'єктів – макромолекул (у тому числі молекул ДНК), вірусів та інших біологічних структур методом атомно-силової мікроскопії.
курсова робота , доданий 28.04.2014
Розрахунок профілю дифузії сурми у кремнії, визначення основних параметрів цього процесу. Використання феноменологічної моделі дифузії. Вплив параметрів на глибину залягання домішки. Чисельне рішення рівняння дифузії за неявною схемою різниці.
курсова робота , доданий 28.08.2010
Опис експериментальної установки, принцип вимірювання тиску повітря та визначення його оптимального значення. Складання журналу спостереження та аналіз отриманих даних. Обчислення барометричного тиску аналітичним та графічним методом.
Історія
Вперше осмосспостерігав А. Нолле в , проте дослідження цього явища було розпочато через сторіччя.
Суть процесу
Мал. 1.Осмос через напівпроникну мембрану. Частинки розчинника (сині) здатні перетинати мембрану, частки розчиненої речовини (червоні) – ні.
Явище осмосу спостерігається у тих середовищах, де рухливість розчинника більша за рухливість розчинених речовин. Важливим окремим випадком осмосу є осмос через напівпроникну мембрану. Напівпроникними називають мембрани, які мають досить високу проникність не для всіх, а лише для деяких речовин, зокрема для розчинника. (Рухливість розчинених речовин у мембрані прагне нуля). Як правило, це пов'язано з розмірами та рухливістю молекул, наприклад, молекула води менша за більшість молекул розчинених речовин. Якщо така мембрана розділяє розчин і чистий розчинник, то концентрація розчинника в розчині виявляється менш високою, оскільки частина його молекул заміщена на молекули розчиненої речовини (див. рис. 1). Внаслідок цього переходи частинок розчинника з відділу, що містить чистий розчинник, в розчин відбуватимуться частіше, ніж у протилежному напрямку. Відповідно, обсяг розчину збільшуватиметься (а концентрація речовини зменшуватиметься), тоді як обсяг розчинника відповідно зменшуватиметься.
Наприклад, до яєчної шкаралупи з внутрішньої сторони прилягає напівпроникна мембрана: вона пропускає молекули води та затримує молекули цукру. Якщо такою мембраною розділити розчини цукру з концентрацією 5 і 10 % відповідно, через неї в обох напрямках проходитимуть лише молекули води. У результаті більш розбавленому розчині концентрація цукру підвищиться, а більш концентрованому, навпаки, знизиться. Коли концентрація цукру в обох розчинах стане однаковою, настане рівновага. Розчини, що досягли рівноваги, називаються ізотонічними. Якщо вжити заходів, щоб концентрації не змінювалися, осмотичний тиск досягне постійної величини, коли зворотний потік молекул води зрівняється з прямим.
Осмос, спрямований всередину обмеженого об'єму рідини, називається ендосмосом, назовні - екзомосом. Перенесення розчинника через мембрану обумовлено осмотичним тиском. Цей осмотичний тиск виникає відповідно до Принципу Ле Шательє через те, що система намагається вирівняти концентрацію розчину в обох середовищах, розділених мембраною, і описується другим законом термодинаміки. Воно дорівнює надмірному зовнішньому тиску, який слід прикласти з боку розчину, щоб припинити процес, тобто створити умови осмотичної рівноваги. Перевищення надлишкового тиску над осмотичним може призвести до обігу осмосу - зворотної дифузії розчинника.
У випадках, коли мембрана проникна не тільки для розчинника, але і для деяких розчинених речовин, перенесення останніх з розчину в розчинник дозволяє здійснити діаліз, застосовуваний як спосіб очищення полімерів та колоїдних систем від низькомолекулярних домішок, наприклад електролітів.
Значення осмосу
Осмосвідіграє у багатьох біологічних процесах. Мембрана, що оточує нормальну клітину крові, проникна лише для молекул води, кисню, деяких з розчинених у крові поживних речовин та продуктів клітинної життєдіяльності; для великих білкових молекул, що у розчиненому стані всередині клітини, вона непроникна. Тому білки, такі важливі для біологічних процесів, залишаються усередині клітини.
Осмосбере участь у перенесенні поживних речовин у стовбурах високих дерев, де капілярне перенесення не здатне виконати цю функцію.
Осмосшироко використовують у лабораторній техніці: щодо молярних характеристик полімерів, концентруванні розчинів, дослідженні різноманітних біологічних структур. Осмотичні явища іноді використовуються в промисловості, наприклад, при отриманні деяких полімерних матеріалів, очищенні високо-мінералізованої води методом зворотного осмосу рідин.
Клітини рослин використовують осмостакож для збільшення обсягу вакуолі, щоб вона розпирала стінки клітини (тургорний тиск). Клітини рослин роблять це шляхом запасання сахарози. Збільшуючи або зменшуючи концентрацію сахарози у цитоплазмі, клітини можуть регулювати осмос. За рахунок цього підвищується еластичність рослини в цілому. Зі змінами тургорного тиску пов'язані багато рухів рослин (наприклад, рухи вусів гороху та інших рослин, що лазять). Прісноводні найпростіші також мають вакуоль, але завдання найпростіших вакуолей полягає лише у відкачуванні зайвої води з цитоплазми для підтримки постійної концентрації розчинених у ній речовин.
Осмостакож відіграє велику роль в екології водойм. Якщо концентрація солі та інших речовин у воді підніметься або впаде, то мешканці цих вод загинуть через згубний вплив осмосу.
Використання в промисловості
Перша у світі електростанція - прототип, що використовує для вироблення електрики явище осмосу, запущена компанією Statkraft 24 листопада 2009 в Норвегії поблизу міста Тофте. Солона морська та прісна вода на електростанції розділені мембраною; оскільки концентрація солей у морській воді вище, між солоною водою моря та прісною водою фіорду розвивається явище осмосу, - постійний потік молекул води через мембрану у бік солоної води. Внаслідок чого тиск солоної води зростає. Цей тиск відповідає тиску стовпа води 120 метрів заввишки, тобто досить високому водоспаду. Потік води достатній, щоб привести в дію гідротурбіну, що виробляє енергію. Виробництво має обмежений характер, основна мета - тестування обладнання. Найбільш проблематичний компонент електростанції – мембрани. За оцінками фахівців Statkraft світове виробництво може становити від 1 600 до 1 700 TWh, що можна порівняти зі споживанням Китаю в 2002. Обмеження пов'язане з принципом дії - подібні електростанції можуть бути побудовані тільки на морському узбережжі. Не вічний двигун, джерелом енергії є енергія сонця. Сонячне тепло відокремлює воду від моря при випаровуванні та за допомогою вітру переносить на сушу. Потенційна енергія використовується на гідроелектростанціях, а хімічна енергія довго залишалася поза увагою.
Примітки
Посилання
Wikimedia Foundation. 2010 .
Синоніми:Дивитись що таке "Осмос" в інших словниках:
осмос- Осмос, а … Російський орфографічний словник
ОСМОС, одностороння дифузія РОСЛИДНИКА (такого як вода) через природну або штучну напівпроникну мембрану (перегородка, що пропускає тільки певні розчинені речовини) в більш концентрований розчин. Через те що… … Науково-технічний енциклопедичний словник
Властивість рідин з'єднуватись, навіть коли вони розділені к. н. пористою перегородкою, також і саме це просочування рідин. Повний словник іншомовних слів, що увійшли у вжиток у російській мові. Попов М., 1907. ОСМОС див. ЕНДОСМОС і ... Словник іноземних слів російської мови
- (від грецьк. osmos поштовх тиск), одностороннє перенесення розчинника через напівпроникну перегородку (мембрану), що відокремлює розчин від чистого розчинника або розчину меншої концентрації. Зумовлений прагненням системи до термодинамічного… Великий Енциклопедичний словник
Осмоз Словник російських синонімів. осмос сущ., у синонімів: 2 осмоз (1) электроосмос … Словник синонімів
Осмос- (Від грец. Osmos поштовх, тиск) дифузія речовин у вигляді іонів через напівпроникні клітинні мембрани. Осмос, спрямований усередину клітин, називається ендосмосом, назовні екзомосом. Основний канал обміну речовин організмів з навколишнім середовищем. Екологічний словник
осмос- Проникнення молекул розчинника через мембрану з розчинника в розчин або з розчину з меншою концентрацією в розчин з більшою концентрацією. Загальна хімія: підручник / А. В. Жолнін Осмос - дифузія розчинника через напівпроникну ... Хімічні терміни
- (Від грецького osmos поштовх, тиск), мимовільний перехід розчинника через напівпроникну мембрану, що не пропускає розчинену речовину. Для того щоб зберегти початковий склад розчину, необхідно додати до розчину. Сучасна енциклопедія
Зміст статті
ОСМОС,перенесення речовини з одного розчину до іншого через мембрану. Мембрани, проникні не всім, лише для певних речовин, називають полупроницаемыми. Наприклад, до яєчної шкаралупи з внутрішньої сторони прилягає напівпроникна мембрана: вона пропускає молекули води та затримує молекули цукру. Якщо такою мембраною розділити розчини цукру з концентрацією 5 і 10% відповідно, через неї в обох напрямках будуть проходити тільки молекули води. Оскільки вода перетікатиме з розведеного розчину в концентрований швидше, ніж у зворотному напрямку, в цілому рух води між двома розчинами йтиме в одну сторону. У результаті більш розбавленому розчині концентрація цукру підвищиться, а більш концентрованому, навпаки, знизиться. Коли концентрація цукру в обох розчинах стане однаковою, настане рівновага. Розчини, що досягли рівноваги, називаються ізотонічними.
Осмос відіграє у багатьох біологічних процесах. Мембрана, що оточує нормальну клітину крові, проникна лише для молекул води, кисню, розчинених у крові поживних речовин та продуктів клітинної життєдіяльності; для великих білкових молекул, що у розчиненому стані всередині клітини, вона непроникна. Тому білки, такі важливі для біологічних процесів, залишаються усередині клітини.
Як механізм осмосу, і чинники, що визначають проникність мембран, ще до кінця вивчені. Чи напівпроникна дана мембрана і якщо так, то для яких речовин, можна дізнатися тільки досвідченим шляхом.
Осмотичний тиск.
Коли два розчини з різною концентрацією розчинених речовин розділені напівпроникною мембраною, на неї діє сила, спрямована від більш розбавленого до концентрованого розчину. Ця сила, яка називається осмотичним тиском, може бути дуже значною. У дереві, наприклад, під дією осмотичного тиску рослинний сік піднімається від коріння до самої верхівки. Але у дереві рух концентрованого розчину, яким є рослинний сік, нічим не обмежений. Якщо ж подібний розчин знаходиться в замкнутому просторі, наприклад, у клітці крові, то осмотичний тиск може призвести до розриву клітинної стінки. Саме з цієї причини ліки, призначені для введення в кров, розчиняють в ізотонічному розчині, що містить стільки хлориду натрію (їдальні солі), скільки потрібно, щоб врівноважити осмотичний тиск, що створюється клітинною рідиною. Якби лікарські препарати, що вливаються, були виготовлені на воді, осмотичний тиск, змушуючи воду проникати в клітини крові, призводило б до їх розриву. Якщо ж ввести в кров занадто концентрований розчин натрію хлориду, то вода з клітин виходитиме назовні, і вони стиснуться.
Розмір осмотичного тиску, створювана розчином, залежить від кількості, а чи не від хімічної природи розчинених у ньому речовин (чи іонів, якщо молекули речовини дисоціюють). Чим більша концентрація розчину, тим більший осмотичний тиск, який він створює. Це правило, що має назву закону осмотичного тиску, виражається простою формулою, дуже схожою на закон ідеального газу. Закон осмотичного тиску можна використовуватиме розрахунку молекулярної маси даної речовини.
Вимоги до характеристик питної води протягом останніх десятиліть значно підвищилися. Це не означає, що люди стали споживати якіснішу рідину, проте технології фільтрації та очищення води дійсно стали ефективнішими. При цьому не завжди подібні пристрої працюють на принципово нових технологіях - найчастіше розробники базують системи очищення за принципами, які оточують нас у природі. До таких явищ відноситься і осмос. Що це таке і яку користь він може принести звичайній людині? Це технологічний процес, який дозволяє забезпечити у природних умовах. Існують різні підходи до технічної реалізації осмосу, але цілі його залишаються однаковими – отримання чистої та безпечної для вживання води.
Принцип осмосу
Цей процес може мати місце в системах, де рухливість розчинених елементів менша за рівень активності розчинника. Зазвичай фахівці наочно демонструють це явище за допомогою напівпроникної мембрани. При цьому важливо враховувати, що такі мембрани можна називати напівнепроникними лише для деяких частинок. Тепер можна точніше відповісти на таке запитання: осмос – що це таке? По суті, це процес відокремлення деяких речовин від середовища, в якому вони знаходилися до поділу за допомогою мембрани. Наприклад, якщо подібну мембрану використовувати для поділу чистого розчинника та розчину, то концентрація першого в середовищі буде менш високою, оскільки певна частка молекул заміщається частинками розчинених речовин.
У чому особливість зворотного осмосу?
Процес зворотного осмосу є вдосконаленою технологією фільтрації різних середовищ. Знову ж таки, варто повернутися до принципу, на основі якого діє осмос – що це таке у завершеному вигляді? Це, наприклад, морська вода, яка пройшла очищення від солі. Так само можна виконати фільтрацію від інших забруднень. Для цього і застосовується зворотний осмос, в якому на середу діє тиск і змушує речовину проходити через мембрану, що очищає.
Незважаючи на високу ефективність такого очищення, суттєвих успіхів у технологічному розвитку даної концепції виробники змогли досягти лише в останні десятиліття. Сучасне очищення передбачає використання найтонших мембран, які не пропускають навіть частинки у вигляді низькомолекулярних домішок - до речі, їх розмір може становити до 0,001 мікрона.
Технічне втілення
Незважаючи на складність, зворотний осмос реалізується в досить компактних пристроях. Основу таких систем формують фільтри, яких може бути декілька. У традиційній конструкції починається очищення із передфільтрів. Потім слід комбінований постфільтр, який може виконувати додаткові функції кондиціонера або мінералізатора. Найбільш просунуті моделі передбачають включення високоселективних мембран - це найефективніша і найдорожча система. Осмос у такому виконанні забезпечує не тільки багатоступінчасте очищення, але й пом'якшує воду. Фільтри також забезпечуються картриджами, спеціальними керамічними кранами, накопичувальними баками з можливістю заміни резервуару та кришкою.
У процесі проходження через таку очищається від розчинених та механічних домішок, хлору та його сполук, гербіцидів, алюмінію, нафтопродуктів, пестицидів, елементів добрив, фенолів, важких металів, а також від вірусів та бактерій. Ефект такого очищення можна побачити і без спеціального аналізу. Звичайна водопровідна вода, наприклад, позбавляється запаху і неприємних смакових відтінків. Понад те, згадана функція мінералізації забезпечує складу збагачення природними мінералами, серед яких - корисні іони.
Виробники та ціни фільтрів
Мабуть, у Росії немає відомих фільтрів для води, ніж продукція «Аквафор». Компанія випускає надкомпактні автоматичні системи, що реалізують високоякісне очищення із збагаченням корисними елементами. Особливістю пропозиції «Аквафор» є ефективність та практичність систем, які забезпечують швидкий осмос. Ціна таких пристроїв становить 8-9 тис. руб. Також мають успіх продукція марки «Гейзер» - зокрема, серія «Престиж». Такі фільтри поєднують якісне очищення та зручність експлуатації. До речі, ресурс зворотноосмотичної мембрани такої системи у 10 разів перевищує термін експлуатації стандартних картриджів. Повний набір такого фільтраційного комплексу коштує близько 10 тис. руб. Потрібні на вітчизняному ринку і зарубіжні системи зі зворотним осмосом, серед яких відзначається японська продукція Toray. Розробники пропонують прямоточні пристрої, які не вимагають наявності бака та забезпечені окремим краном.
Велику роль у поглинанні та виділенні речовин рослинною клітиною відіграють явища дифузії. Дифузія - це спрямоване пересування частинок речовини у бік меншої концентрації. - дифузія молекул розчинника в розчин через напівпроникну перетинку, що відокремлює розчин від чистого розчинника або розчину з меншою концентрацією. Швидкість дифузії обернено пропорційна розмірам і масі молекул; так, сахароза дифундує повільніше, що має меншу молекулу. Колоїдні розчини (білок та ін) мають слабку дифузну здатність.
