О́смос (англ.osmosis, нім.Osmose f) — процес односторонньої дифузії через напівпроникну мембрану молекул розчинника в бік більшої концентрації розчиненої речовини з обсягу з меншою концентрацією розчиненої речовини.
1. Дифузія через напівпроникну мембрану компонента з розчину, де хімічний потенціал компонента є вищим, до розчину, де хімічний потенціал компонента менший.
2. Перехід молекул розчинника (а не розчиненого), з розведеного розчину через напівпроникну мембрану в більш концентрований розчин. Граничний випадок діалізу.
Спонтанний перехід, однобічна дифузія через напівпроникну перегородку (мембрану), яка відокремлює розчин від чистого розчинника або розчину меншої концентрації. Зумовлений прагненням системи до термодинамічної рівноваги і вирівнювання концентрацій розчину з обох боків мембрани. Характеризується осмотичним тиском, що дорівнює надлишковому зовнішньому тискові, який треба докласти з боку розчину, щоб припинити осмос. Відіграє важливу роль у фізіологічних процесах, використовується при дослідженні полімерів, біологічних структур.
Осмос є одним із прикладів колігативних властивостей розчинів, тобто такий які залежать тільки від кількості розчинених частинок, але не залежать від їх природи[1][2].
Сутність процесу
Осмос через напівпроникну мембрану. Частинки розчинника (сині) здатні перетинати мембрану, частинки розчиненої речовини (червоні) — ні.
Явище осмосу спостерігається в тих середовищах, де рухливість розчинника більша від рухливості 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. Якщо така мембрана розділяє розчин і чистий розчинник, то концентрація розчинника в розчині виявляється нижчою, оскільки там частина його молекул заміщена на молекули розчиненої речовини (див. малюнок праворуч). Внаслідок цього, переходи частинок розчинника з відділу, що містить чистий розчинник, у розчин відбуватимуться частіше, ніж у протилежному напрямку. Відповідно, об'єм розчину буде збільшуватися (а концентрація — зменшуватися), тоді як об'єм розчинника буде відповідно зменшуватися.
Наприклад, до яєчної шкаралупи з внутрішньої сторони прилягає напівпроникна мембрана: вона пропускає молекуливоди і затримує молекули цукру. Якщо такою мембраною розділити розчини цукру з концентрацією 5 і 10% відповідно, то через неї в обох напрямках будуть проходити тільки молекули води. У результаті в більш розбавленому розчині концентрація цукру підвищиться, а в більш концентрованому, навпаки, знизиться. Коли концентрація цукру в обох розчинах стане однаковою, настане рівновага. Розчини, які досягли рівноваги, називаються ізотонічними.
Осмос, спрямований всередину обмеженого об'єму рідини, називається ендосмосом, назовні — екзосмосом. Перенесення розчинника через мембрану зумовлене осмотичним тиском. Він дорівнює надлишковому зовнішнього тиску, який слід докласти з боку розчину, щоб припинити процес, тобто створити умови осмотичної рівноваги. Перевищення надлишкового тиску над осмотичним може призвести до спрямування процесу в протилежний бік — 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, вживається як спосіб очищення полімерів і колоїдних систем від низькомолекулярних домішок, наприклад електролітів.
Значення осмосу
Впливу осмосу на живі клітини на прикладі еритроцитів, що перебувають у гіпо-, ізо- або гіпертонічному розчинах
Схематичне зображення
Фазово-контрастна мікросокпія
Залежність тургору рослинної клітини від концентрації розчину, в якому вона перебуває
У живих організмах
Осмос — це явище, що суттєво впливає на існування живих клітин. Клітинні мембрани більш проникні для води ніж для більшості іонів, малих гідрофільних молекул та макромолекул. Така різниця великою мірою виникає внаслідок наявності в мембранах білків аквапоринів, що пропускають тільки молекули води. Якщо клітина перебуває в ізотонічному розчині (0,9% хлориду натрію або 5% глюкози для людських клітин[3]), вона не втрачає і не набуває води. У гіперотонічому середовищі, тобто у середовищі з більшою осмолярністю, клітина зморщується внаслідок зневоднення, а в гіпотонічому навпаки — набухає, і якщо надходження води не вдається спинити, це призводить до розривання, осмотичного лізису, клітини[1].
У природних умовах клітини переважно стикаються із проблемою перебування в гіпотонічних розчинах. Щоб запобігти осмотичному лізису вони виробили ряд пристосувань. Наприклад бактерійні, грибні і рослинні клітини мають жорстку клітинну стінку, яка може перешкоджати надмірному надходженню води. Рослини використовують осмос для досягнення механічної стійкості і пружності: висока концентрація розчинених речовин у центральних вакуолях призводить до затягування води в клітини, але це має наслідком не набухання, а збільшення тиску мембран на клітинні стінки, тобто виникнення тургору. Внаслідок цього клітини, і ціле тіло рослини, стають твердими і пружними. Зневоднення призводить до в'янення рослин[1]. Рослинні клітини можуть регулювати тургорний тиск шляхом зміни концентрації осмотично активних речовин, таких як сахароза і неорганічні іони, у центральній вакуолі та цитоплазмі. З цим пов'язано багато аспектів життя рослини: закривання-відкривання продихів, створення тиску у ситоподібних трубкахфлоеми, що необхідний для транспортування продуктів фотосинтезу, фітогормонів та інших речовин, створення кореневого тиску, потрібного для перенесення води та мінеральних речовин, здійснення рухів, таких як відкривання-закривання пелюсток, піднімання-опускання листків тощо[4].
Деякі прісноводні найпростіші, які живуть у гіпотонічному розчині, мають спеціальні органели — скоротливі вакуолі, що викачують зайву воду з клітин. Багатоклітинні тварини підтримують осмолярність плазми крові та тканинної рідини такою ж, як у цитоплазми клітин. Для цього клітини активно викачують іони Na+ та деякі інші у тканинну рідину[1].
Осмотичні властивості розчинів також впливають і на форми запасання енергії живими клітинами. Так вони зберігають вуглеводи у вигляді полісахаридів (крохмалю і глікогену), а не моно- чи олігосахаридів. Оскільки осмос зростає пропорційно до кількості частинок розчиненої речовини, а не до їх маси, 1 г глікогену, молекули якого містять по 1000 залишків глюкози, збільшуватиме омолярність цитоплазми до такої ж міри, як і 1 мг глюкози[1].
Осмос також відіграє важливу роль в екології водойм. Якщо концентрація солі та інших речовин у воді піднімається чи падає — мешканці цих вод гинуть через згубну дію осмосу.
У лабораторній практиці
Осмос широко використовують у лабораторній техніці при визначенні молярних характеристик полімерів, концентрування розчинів, дослідженні різноманітних біологічних структур. Осмотичні явища іноді використовуються в промисловості, наприклад при отриманні деяких полімерних матеріалів, очищенні високо-мінералізованою води методом «зворотного» осмосу рідин.
Протоколи виділення клітинних фракцій, збагачених мітохондріями, пластидами або лізосомами, враховують той факт, що ці органели оточені напівпроникними мембранами. Тому фракціонування проводять у буферах із достатньою концентрацією сахарози або іншої інертної речовини для запобігання осмотичному лізису[1].
Діаліз, що базується на осмотичних властивостях розчинів, використовують для очищення високомолекулярних речовин від низькомолекулярних домішок. Для цього розчин макромолекул із домішками поміщають у мішечок із напівпроникного матеріалу, що пропускає тільки маленькі молекули. Цей мішечок занурюють у розчинник і залишають на деякий час, за який низькомолекулярні речовини дифундують у розчинник. Метод діалізу також використовують для вивчення зв'язування макромолекул із маленькими молекулами, наприклад ферментів із інгібіторами, нуклеїнових кислот із антибіотиками тощо[2].
У промисловості
Явище осмосу знаходить своє застосування у бурінні, при будівництві нафтових та газових свердловин. Тут осмос виникає у вигляді осмотичних перетоків через глинисту кірку на стінках свердловини, яка і відіграє роль мембрани, проникної для розчинника (фільтрату розчину). Важливий напрямок цих перетоків, в першу чергу при розбурюванні крихких порід, схильних до розтріскування та осипання (в основному це аргіліти). Осмос, направлений від свердловини у породи, що складають її стінки, приводить до насичення пор та тріщин рідиною і, внаслідок цього, - до осипів і обвалів порід та інтенсивному каверноутворенню. Якщо градієнт осмосу направити від стінок свердловини до самої свердловини, це буде сприяти стійкості стінок, попередить осипи та обвали. З цією метою рекомендується плавно чи ступінчасто підвищувати мінералізацію бурового розчину по ходу поглиблення інтервалу, складеного крихкими породами.
Глосарій термінів з хімії // Й.Опейда, О.Швайка. Ін-т фізико-органічної хімії та вуглехімії ім. Л.М.Литвиненка НАН України, Донецький національний університет — Донецьк: «Вебер», 2008. — 758 с. — ISBN 978-966-335-206-0
