Осмос — просачивание растворителя сквозь мембрану¶
Осмос — процесс самопроизвольного переноса растворителя сквозь полупроницаемую перегородку (мембрану) из раствора с меньшей концентрацией растворённого вещества в раствор с большей концентрацией. Термин происходит от др.-греч. ὄσμος — «давление, толчок». В классическом понимании осмос — одно из важнейших явлений физической химии, лежащее в основе работы обратного осмоса, биологических мембранных процессов и ряда инженерных технологий разделения жидкостей.
¶Терминология и определение
Осмос — это просачивание растворителя (обычно воды) сквозь полупроницаемую перегородку, которая пропускает молекулы растворителя, но задерживает молекулы растворённого вещества (соль, сахар, белок). Явление сопровождается выравниванием химического потенциала растворителя по обе стороны перегородки.
Различают:
- Прямой (натуральный) осмос — перенос растворителя в сторону более концентрированного раствора.
- Обратный осмос — перенос растворителя против концентрационного градиента под внешним давлением, превышающим осмотическое.
- Электроосмос — перенос жидкости под действием электрического поля через пористую среду.
¶История изучения
Первое систематическое наблюдение осмоса описал французский физик Жан-Антуан Нолле в 1748 году: он поместил трубку с винным спиртом в сосуд с водой, закрыв отверстие свиной плеврой, и заметил подъём жидкости. В XIX веке явление исследовали Рене Дютроше, Вильгельм Пфеффер (1877), создавший первые искусственные полупроницаемые мембраны из осадка берлинской лазури на фарфоре, и Якобус Хендрик ван 'т Хофф, который в 1886 году вывел осмотическое давление как аналог давления идеального газа. Эрнест Овертон в 1895–1899 годах показал, что клеточные мембраны обладают селективной проницаемостью, что стало основой клеточной биологии.
¶Физика явления
Осмотическое давление раствора — давление, которое необходимо приложить к раствору, чтобы остановить прямой осмос. Для разбавленных растворов оно описывается формулой ван 'т Хоффа:
π = iCRT,
где i — фактор Ван-т-Гоффа (число частиц на молекулу растворённого вещества), C — молярная концентрация, R — универсальная газовая постоянная, T — абсолютная температура.
Осмотическое давление зависит только от числа растворённых частиц, а не от их природы. Для 1 %-ного раствора поваренной соли при 25 °C оно составляет около 0,7 МПа (7 атм), для морской воды — около 2,7 МПа. Сахароза при той же массовой концентрации создаёт осмотическое давление примерно вдвое меньшее, поскольку молярная масса сахарозы выше.
Полупроницаемая мембрана — это перегородка, пропускающая молекулы растворителя и задерживающая молекулы растворённого вещества. В природе такую роль играют биологические мембраны, в технике — полимерные и керамические мембраны.
¶Обратный осмос
Обратный осмос — технология получения чистой воды из солёных или загрязнённых растворов. Жидкость под давлением, превышающим осмотическое, подаётся на мембрану; растворитель проходит сквозь неё, а соль и примеси остаются в концентрате. Технология была разработана в 1950-х годах в США (Сидни Лоеб и Сурираджан Сурираджан) и в СССР (Институт физической химии АН СССР, лаборатория Н. А. Платоновой и С. С. Жука).
Обратный осмос применяется:
- для опреснения морской воды (крупнейшие установки работают в Саудовской Аравии, ОАЭ, Израиле);
- в системах водоподготовки и питьевого водоснабжения;
- в пищевой промышленности (концентрирование соков, молока);
- в фармацевтике для получения воды для инъекций;
- в очистке сточных вод.
Мембраны обратного осмоса изготавливают из ацетилцеллюлозы, полиамидов и композитных материалов. В России производством мембранных технологий занимаются предприятия в Санкт-Петербурге, Перми и Томске.
¶Осмос в биологии
Осмос — основной механизм транспорта воды через клеточные мембраны. Клетка, помещённая в гипотонический раствор (с осмотическим давлением ниже внутриклеточного), набухает и может разрушиться (гемолиз эритроцитов). В гипертоническом растворе клетка сморщивается (плазмолиз). Эти явления лежат в основе действия консервантов, физиологических растворов и внутривенных вливаний.
Осмотическое давление крови у человека составляет около 0,7–0,8 МПа и поддерживается на постоянном уровне благодаря работе почек, которые фильтруют плазму и реабсорбируют воду, возвращая её в кровоток.
¶Применение в пищевой промышленности
Осмос используется для обезвоживания продуктов (фруктов, овощей, мяса) без нагрева. Плоды погружают в гипертонический раствор сахарного сиропа или солёного рассола; вода выходит из клеток по градиенту осмотического давления, сохраняя при этом витамины и ароматические вещества. Технология применяется при производстве цукатов, сухофруктов, маринадов.
¶Интересные факты
- Осмотическое давление — одно из самых мощных давлений в природе: в морской воде оно достигает 27 атм.
- Растения удерживают форму за счёт тургорного давления, создаваемого осмосом.
- В 2019 году исследователи из МГУ и РАН показали возможность использования графеновых мембран для осмотической генерации энергии.
¶Источники
- Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Статистическая физика. — М.: Наука.
- Патрикин Ю. А. Физическая химия. — М.: Высшая школа.
- Кульский Л. А. Химия воды и физико-химические процессы водоочистки. — Киев: Вища школа.
- Биохимия: учебник / под ред. В. В. Мещерякова. — М.: Дрофа.
- Химическая энциклопедия: в 5 т. — М.: Большая российская энциклопедия.