Суть явления
Представь: стакан воды разделён посередине плёнкой с мелкими порами — достаточно мелкими, чтобы пропускать молекулы воды, но задерживать крупные молекулы сахара или соли. В левой половине — чистая вода, в правой — сладкий раствор.
Молекулы воды хаотично движутся в обе стороны через поры. Но! Слева воды много, справа — меньше (часть объёма занимают молекулы сахара). Значит, слева через мембрану проходит больше молекул воды, чем справа. Уровень воды справа начинает расти.
Это и есть осмос — направленная диффузия воды через полупроницаемую мембрану из области с низкой концентрацией растворённого вещества в область с высокой концентрацией.
Закон Ван’т-Гоффа
Якоб Хендрик Ван’т-Гофф (1852–1911), первый лауреат Нобелевской премии по химии (1901), показал: осмотическое давление разбавленных растворов описывается той же формулой, что и идеальный газ.
π = cRT
- π — осмотическое давление (Па)
- c — молярная концентрация растворённого вещества (моль/м³)
- R — универсальная газовая постоянная (8,314 Дж/моль·К)
- T — абсолютная температура (К)
Пример: физиологический раствор (0,9% NaCl ≈ 0,154 моль/л NaCl → 0,308 моль/л ионов) при 37°C:
π = 0,308 × 8,314 × 310 ≈ 793 000 Па ≈ 7,8 атм
Именно столько нужно преодолеть, чтобы остановить осмос в крови. Морская вода (~0,6 М) → π ≈ 27 атм — вот почему опреснение так энергозатратно.
Гипо-, изо- и гипертоничность
| Раствор | Концентрация | Что происходит с клеткой |
|---|---|---|
| Гипотонический | ниже клеточного сока | Вода входит в клетку → клетка набухает, лопается |
| Изотонический | равна клеточному соку | Ток воды сбалансирован → клетка в норме |
| Гипертонический | выше клеточного соку | Вода выходит из клетки → клетка сморщивается (плазмолиз) |
Именно поэтому физраствор для капельниц — строго 0,9% NaCl: это изотоническая концентрация для крови человека.
Опыт 1: Яйцо-осмометр (уровень: начинающий)
Что понадобится: сырое куриное яйцо, 9% уксус, стакан, насыщенный раствор соли (3–4 ст.л. на 200 мл воды).
Подготовка — убираем скорлупу:
- Положи яйцо в уксус на 24–48 часов. Скорлупа растворится (CaCO₃ + 2CH₃COOH → …), останется мягкая мембрана.
- Осторожно промой яйцо водой.
Опыт:
- Взвесь яйцо (запиши). Положи в стакан с чистой водой на 2 часа → взвесь снова. Яйцо стало тяжелее — вода вошла через мембрану (гипотонический раствор снаружи).
- Теперь переложи в насыщенный солёный раствор на 2 часа → взвесь. Яйцо полегчало — вода вышла (гипертонический раствор снаружи).
Что записать: начальная масса, масса после воды, масса после соли. Изменение в граммах и процентах.
Опыт 2: Картофельный тест (уровень: начинающий, быстрый)
Что понадобится: картофелина, нож, весы (кухонные), вода, соль.
Протокол:
- Нарежь картофель одинаковыми кубиками ~1×1×1 см (12–18 штук).
- Раздели на 3 группы по 4–6 кубиков.
- Группа А: в чистую воду. Группа Б: в 5% солёный раствор. Группа В: в 10% солёный раствор.
- Взвесь каждую группу до → подожди 2–3 часа → взвесь после.
Ожидаемый результат:
- Группа А: слегка тяжелее и тверже (вода вошла → тургор)
- Группа Б: незначительное изменение
- Группа В: заметно легче и мягче (вода вышла → плазмолиз)
Почему так: клеточный сок картофеля ≈ изотоничен при ~1–2% соли. При 5–10% снаружи — вода выходит.
Опыт 3: Диализ — модель почечного фильтра (уровень: средний)
Почки фильтруют кровь именно через осмос и диализ. Можно воспроизвести принцип дома.
Что понадобится: пищевая плёнка (полиэтилен) или пакет для засолки с порами, чай с молоком или смесь крахмала с йодом, стакан с водой.
Протокол:
- Завяжи в плёнку 50 мл крепкого чая.
- Опусти в стакан с чистой водой на 1–2 часа.
- Возьми пробу воды из стакана: видна ли желтизна?
Настоящий диализ использует ацетатцеллюлозные мембраны с порами ~1–10 нм. Малые молекулы (мочевина, соли) проходят, крупные (белки, клетки) — задерживаются.
Осмос в природе и технике
Корни растений — вбирают воду из почвы за счёт осмоса: концентрация клеточного сока в корне выше, чем в почвенном растворе. Подробнее: эксперимент plant-water-transport.
Консервирование солью/сахаром — гипертоническая среда убивает бактерии через осмотический шок. Соление огурцов — это управляемый осмос.
Обратный осмос — если приложить давление выше осмотического (>27 атм для морской воды), вода будет идти в обратную сторону. Так работают современные установки опреснения — 200 млн человек пьют эту воду ежедневно.
Слёзы и физраствор — изотоничны. Гипертонические глазные капли (от отёка) выводят лишнюю воду из тканей.
Вопросы для исследования
- Солёные огурцы через 12 часов становятся мягче. Через 48 часов — снова упругими. Почему? (Намёк: осмос работает в обе стороны, потом устанавливается равновесие)
- У медуз тело на 98% состоит из воды. Почему они не растворяются в море? (Намёк: изотоничность)
- Что произойдёт с эритроцитами, если ввести в вену 5% раствор глюкозы вместо физраствора? (Подсказка: глюкоза метаболизируется, раствор становится гипотоническим)
- Рассчитай осмотическое давление сока лимона, если его кислотность ≈ 0,3 М лимонной кислоты. Лимонная кислота практически не диссоциирует в первой ступени при таких концентрациях.