что такое осмотический раствор
Что такое осмотический раствор
Поддержание адекватного объема одной или обеих (внутри- и внеклеточной) жидких сред организма является частой проблемой при лечении тяжелобольных. Распределение внеклеточной жидкости между плазмой и межклеточным пространством в основном зависит от уравновешивания сил гидростатического и коллоидно-осмотического давления, которые действуют на мембрану капилляров.
Распределение жидкости между внутри- и внеклеточной средами в основном определяется осмотическими силами мелких молекул растворенных веществ, преимущественно натрия, хлора и других электролитов, действующих по разные стороны мембраны. Причина этого распределения обусловлена свойствами мембран, проницаемость которых для воды высока, а для ионов даже очень небольшого диаметра, таких как натрий и хлор, практически равна нулю. Следовательно, вода быстро проникает через мембрану, а внутриклеточная жидкость, тем не менее, остается изотоничной по отношению к внеклеточной.
В следующем разделе рассмотрим взаимосвязь между внутри- и внеклеточной жидкостями и причины осмотического характера, способные влиять на перенос жидкости между этими средами.
В статье мы рассмотрим только наиболее важные теоретические положения, касающиеся регуляции объемов жидкости.
Теоретические основы осмоса и осмотического давления
Основы осмоса и осмотического давления изложены в отдельной статье на сайте (просим вас пользоваться формой поиска выше). В этой статье мы рассмотрим только наиболее важные теоретические положения, касающиеся регуляции объемов жидкости.
Осмос — процесс диффузии воды через полупроницаемую мембрану. Он происходит из области с высокой концентрацией воды в область с ее низкой концентрацией. Растворение вещества в воде приводит к снижению концентрации воды в данном растворе. Следовательно, чем больше концентрация вещества в растворе, тем ниже в нем содержание воды. Кроме того, вода диффундирует из области с низкой концентрацией вещества (высоким содержанием воды) в область с высокой концентрацией вещества (низким содержанием воды).
Поскольку проницаемость мембраны клеток избирательна (она относительно низка для большинства растворенных веществ, но высока для воды), то при повышении концентрации вещества с одной стороны мембраны вода проникает в эту область путем диффузии. Если растворенное вещество, такое как NaCl, добавить во внеклеточную жидкость, вода будет быстро выходить из клетки до тех пор, пока концентрации молекул воды по обе стороны мембраны не уравняются. Если, напротив, концентрация NaCl во внеклеточной жидкости снизится, вода из внеклеточной жидкости устремится в клетки. Интенсивность, с которой вода диффундирует в клетку, называют осмотической силой.
а) Соотношение молей и осмолей. Поскольку концентрация воды в растворе зависит от количества в нем частиц вещества, под термином «концентрация вещества» (независимо от его химического состава) понимают общее число частиц вещества в растворе. Это число измеряют в осмолях. Один осмоль (осм) соответствует одному молю (1 моль, 6,02×10 23 ) частиц растворенного вещества. Следовательно, каждый литр раствора, содержащий 1 моль глюкозы, соответствует концентрации 1 осм/л. Если молекула диссоциирует на 2 иона, т.е. возникают две частицы (например, NaCl распадается на ионы Na+ и Сl-), то одномолярный раствор (1 моль/л) будет иметь осмолярность 2 осм/л. Аналогично раствор, содержащий 1 моль вещества, которое диссоциирует на 3 иона, например сульфат натрия Na2SО4, будет содержать 3 осм/л. Поэтому термин «осмоль» определяют, ориентируясь не на молярную концентрацию вещества, а на число растворенных частиц.
В целом осмоль — слишком большая величина, чтобы использовать ее в качестве единицы измерения осмотической активности жидких сред организма. Обычно используют 1/1000 осмоли — миллиосмолъ (моем).
б) Осмоляльность и осмолярность. Осмолялъностью называют осмоляльную концентрацию вещества в растворе, которая выражается в количестве осмолей на килограмм растворителя. Когда же речь идет о количестве осмолей в литре раствора, эту концентрацию называют осмолярностью. Для сильно разведенных растворов, которыми являются жидкие среды организма, справедливо использовать оба термина, т.к. разница значений невелика. Во многих случаях сведения о жидких средах организма легче выражать в литрах, чем в килограммах, поэтому в большинстве расчетов, используемых в клинике, а также в следующих главах, за основу принята не осмоляльность, а осмолярность.
в) Осмотическое давление. Осмос молекул воды через избирательно проницаемую мембрану может быть уравновешен силой, приложенной в направлении, обратном осмосу. Величину давления, необходимую для прекращения осмоса, называют осмотическим давлением. Таким образом, осмотическое давление является непрямой характеристикой содержания воды и концентрации веществ в растворе. Чем оно выше, тем меньше в растворе содержание воды и выше концентрация растворенного вещества.
Редактор: Искандер Милевски. Дата обновления публикации: 18.3.2021
Что такое осмотическое давление воды
Явление осмотического давления в воде было обнаружено и описано еще в 1748 году французским физиком-экспериментатором Жаном-Антуаном Нолле.
Проводя свой эксперимент, Нолле наполнил сосуд этанолом и, закрыв его плотной мембраной, опустил в емкость с чистой водой. Под действием физических сил вода поступала внутрь сосуда с концентрированной жидкостью и создавала там давление, под действием которого сосуд раздувался. В процессе его эксперимента хватало пяти часов, чтобы объем в сосуде увеличился, а мембрана раздулась. Тогда он решил провести обратный опыт и наполнил колбу водой, поместив ее в сосуд со спиртом. Объем в колбе стал уменьшаться, а мембрана начала прогибаться вниз.
Нолле объяснил это явление, как избирательный перенос молекул через мембрану: когда жидкость с меньшей плотностью легко проходила через стенки мембраны, вторая, концентрированная, не могла осуществить диффузию.
Позже было доказано, что если к концентрированному раствору будет приложено давление, то перенос молекул растворителя можно замедлить или остановить в зависимости от величины давления. Наименьшее давление, за исключением давления самого растворителя, которое нужно приложить к раствору, чтобы предотвратить перемещение молекул чистого вещества через мембрану, было названо»«соматическое», а сам процесс произвольного перехода молекул растворителя стали называть «осмос».
От чего зависит осмотическое давление воды
Важным условием осмоса является наличие полупроницаемой мембраны, то есть такого материала, поры которого будут достаточного размера, чтобы свободно пропускать молекулы растворителя и удерживать в растворе частицы растворенного вещества.
Осмотическое давление воды зависит от двух основных факторов:
Это объясняется уравнением Вант-Гоффа. Осмотическое давление воды равно: π = RCT,
Ученый выявил, что осмотическое давление жидкостных растворов, подчиняется тем же законам, что и давление газовых систем. С помощью данного уравнения определяется величина давления.
Оно не зависит от состава растворенного вещества, поэтому осмотическое давление считается коллигативным свойством раствора, то есть обусловленным самопроизвольным движением молекул, их количеством, а не составом.
Для возникновения осмотического давления воды в системе необходимо два критерия:
Как определить осмотическое давление воды
Динамический метод определение осмотического давления воды позволяет быстро и точно получить результат. Он основывается на определении объемной скорости пропускания и выдавливания молекул растворителя через мембраны с различным давлением в ячейке с последующим вычислением промежуточных значений среди полученных результатов.
Многие приборы позволяют проводить вычисления обоими методами. Единственным важным условиям проведения измерения является правильный подбор полупроницаемой мембраны. На практике чаще всего применяются:
Роль осмотического давления воды для живых организмов
Не менее важную роль осмос играет в экологии водоемов. При изменении концентрации солей в воде, обитатели могут погибнуть, так, например, если поместить пресноводное животное в морскую воду, то оно вскоре потеряет пятую часть своего веса, а если морского обитателя перенести в пресную воду, то из-за диффузии молекул повысится уровень внутриклеточной жидкости, клетки его органов разбухнут и лопнут.
Осмотическое давление морской воды
Осмотическое давление морской воды составляет примерно 25 бар, что существенно выше осмотического давления пресной воды. Поэтому процесс опреснения морской воды методом обратного осмоса проходит при существенно больших давлениях (40-60 бар). Естественно, для разных морей и океанов величина осмотического давления будут разниться за счет разной концентрации солей.
Где применяют осмотическое давление воды
Знание и правильное применение законов осмотического давления воды необходимо в медицине, биологии, энергетике и промышленности. На них основываются многие физико-биологические процессы, процессы получения веществ, а также способы очистки воды.
13 лучших примеров осмоса в повседневной жизни
Что такое осмос?
Но что такое полупроницаемая мембрана? Что ж, это своего рода барьер, через который проходят одни молекулы или вещества, но не другие. Например, пластиковая пленка позволяет водяному пару и воздуху проходить через нее, но не пище или воде. Точно так же мембраны клеток пропускают воду и определенные растворенные вещества (крошечные молекулы, растворенные в растворителе), блокируя при этом другие растворенные вещества.
Этот процесс был впервые задокументирован французским физиком Жаном-Антуаном Нолле в 1748 году. Более века спустя немецкий химик изобрел высокоселективные осаждающие мембраны, продвигая искусство и технику измерения осмотического потока.
Как это работает?
Осмос всегда пытается уравнять концентрацию по обе стороны мембраны. Поскольку растворенное вещество не может проходить через мембрану, перемещаться должен только растворитель (вода). По мере приближения к равновесию раствор становится более стабильным. Таким образом, осмос поддерживает законы термодинамики.
Виды осмоса
Обычно бывает два типа осмоса:
Чтобы лучше объяснить это явление, мы перечислили несколько очень хороших примеров осмоса, с которыми мы сталкиваемся в повседневной жизни.
13. Изюм в воде
Тип: Эндосмос
Поскольку растворитель (чистая вода) входит в клетку изюма, это является примером эндосмоса.
12. Картофель в сахарном растворе
Тип: Экзосмос
Если положить картофель в сахарный раствор, он со временем сожмется. Это связано с тем, что в клетках картофеля концентрация воды намного выше, чем в растворе сахара, поэтому вода выходит из картофеля через его мембрану в раствор сахара.
Поскольку растворитель выходит из клеток картофеля и попадает в раствор сахара, пытаясь достичь равновесия, это пример экзосмоса.
11. Растения поглощают воду из почвы
Тип: Эндосмос
В то время как растения поглощают воду по всей своей поверхности (листья, стебли и корни), большая часть воды поглощается корневыми волосками. Эти корневые волоски действуют как полупроницаемый барьер, позволяя молекулам воды (растворителю) перемещаться от высокой концентрации (почва) к низкой концентрации (корни).
В результате корневые волосковые клетки становятся более набухшими, а их осмотическое давление (способность впитывать растворители) падает.
Затем молекулы воды перемещаются в трубки, называемые сосудами ксилемы, и транспортируются к листьям. Внутри клеток ксилемы молекулы воды оказывают сильное влияние друг на друга за счет водородных связей. Когда вода испаряется через устьица (крошечные поры на листьях), через клетки ксилемы корня выводится больше воды, чтобы заменить то, что было потеряно.
10. Соль на слизнях
Тип: Экзосмос
Соль и слизни плохо сочетаются. Вы когда-нибудь задумывались, почему соль убивает слизней и улиток? Влажная кожа слизняка действует как полупроницаемая мембрана. Высокая концентрация соли на коже слизняка вытягивает воду из его клеток посредством осмоса.
Вода выходит наружу, потому что это уравновешивает концентрацию соли между внешней и внутренней стороной кожи слизняка. Как и большинству других живых организмов, слизням для обслуживания нужна вода. А когда они теряют слишком много воды, они сморщиваются и умирают.
9. Красные кровяные тельца, помещенные в пресную воду
Тип: Эндосмос
При помещении в пресную воду вода попадает в клетки посредством осмоса, вызывая набухание клеток. Это происходит потому, что концентрация ионов и других растворенных частиц внутри эритроцита выше, чем вне его.
Количество воды, которая может попасть в клетки, контролируется давлением клеточной мембраны, действующим на содержимое клетки. В большинстве случаев клетка потребляет больше воды, чем может выдержать ее мембрана, что приводит к взрыву клетки. Это явление называется гемолизом.
Однако, когда красные кровяные тельца помещаются в раствор с более высокой концентрацией растворенного вещества, вода выходит из клетки. В результате клетки становятся меньше и имеют зубчатую форму.
8. Рыбы впитывают воду через кожу и жабры
Тип: эндосмос или экзосмос в зависимости от вида рыб.
Если поместить морскую или пресноводную рыбу в воду с разной концентрацией соли, она погибнет из-за попадания или выхода воды в ее клетки.
Кровь и физиологические жидкости пресноводных рыб намного соленее, чем вода, в которой они плавают. Таким образом, вода проходит через их жабры. Точно так же рыба, обитающая в океане, имеет тенденцию терять воду через жабры.
Как и человеческое тело, рыбьему телу для наилучшего функционирования необходима определенная концентрация соли. Они не могут противостоять слишком большому количеству воды, втекающей или вытекающей через жабры. Пресноводная рыба лопнет, а морская засохнет.
Однако этого не происходит, потому что их жабры содержат специализированные клетки, которые выборочно перекачивают соль в кровь или из нее. Клетки пресноводных рыб регулярно переносят соль, а клетки морских рыб регулярно ее выкачивают. А поскольку океанская вода очень соленая, рыба откачивает излишки соли через жабры и почки.
7. Полоскание горла с соленой водой избавляет от боли в горле
Тип: экзосмос (избыток жидкости выбрасывается из тканей горла).
Соленая вода на самом деле не лечит боль в горле, но помогает уменьшить боль и дискомфорт. Это потому, что соленая вода содержит более высокую концентрацию растворенного вещества (соли), чем то, что присутствует в тканях нашего горла.
Более конкретно, осмотическое давление соленой воды больше, чем давление в жидкости окружающих клеток. Поэтому, когда мы полощем горло, избыток жидкости выходит из тканей горла, уменьшая отек и облегчая боль.
6. Сахар на клубнике
Тип: Экзосмос
Наружная мембрана клубники действует как полупроницаемый слой между ее внутренней и внешней частью. Внутренняя часть уже содержит воду и натуральный сахар. При посыпании сахара на срезанную клубнику, большее количество сахара за пределами клеток плода (в сочетании со способностью сахара притягивать воду) вызывает движение воды наружу к поверхности клубники.
Этот процесс можно использовать для приготовления вкусных продуктов, таких как мацерированная клубника, желе и джемы. Его также можно использовать для продления срока хранения фруктов.
5. Консервирование продуктов питания
Тип: Экзосмос (клетки бактерий теряют воду)
Они действуют не только как усилители вкуса, но и как отличные консерванты, убивая бактерии и предотвращая рост других вредных микроорганизмов.
Высокая концентрация сахара и соли гипертонически воздействует на клетки бактерий. Клетки бактерий теряют воду из-за более высоких концентраций снаружи и становятся менее проводящими для поддержания роста микроорганизмов.
4. Переваренная пища всасывается в тонком и толстом кишечнике
Тип: Эндосмос
Когда вы пьете воду или едите пищу, она движется изо рта по пищеводу в желудок. Внутри желудка пища распадается на множество мелких частей, которые смешиваются с желудочными жидкостями. Смесь образует густую полужидкую массу, называемую химусом. Когда химус попадает в тонкий кишечник, происходит осмос.
Клетки кишечного эпителия (которые образуют слизистую оболочку кишечника) имеют более низкую концентрацию, чем химус. Таким образом, чтобы достичь равновесия, растворитель (вода) проникает в эти клетки через полупроницаемые мембраны, забирая с собой некоторые питательные вещества.
Рядом с эпителиальными клетками находятся капилляры. И питательные вещества, и вода проходят через клетки капилляров в кровоток.
3. Патогенные бактерии мешают кишечным клеткам
Бактерии холеры, полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа
Тип: Экзосмос
Некоторые патогенные бактерии, такие как Vibrio cholerae, способны вмешиваться в каналы транспорта ионов кишечных клеток человека. Они производят энтеротоксины, которые изменяют проницаемость эпителиальных клеток кишечной стенки за счет образования пор.
В результате осмоса вода и другие жидкие соединения выводятся из организма, что приводит к сильному обезвоживанию и диарее. Эти бактерии могут крепко держаться за клетки кишечника, в то время как обычные бактерии, живущие в нашем желудке, вымываются. Таким образом, бактерии холеры получают достаточно области для роста и размножения. Умный крошечный микроб, не так ли?
2. Вызванная контактными линзами сухость глаз
Тип: Экзосмос
Знаете ли вы, почему мы помещаем контактные линзы в физиологический раствор? Почему не чистая вода? Это связано с тем, что физиологический раствор для контактных линз содержит такую же концентрацию соленой воды, как и ваш глаз.
Когда вы держите линзы внутри раствора, они остаются влажными, мягкими и удобными. В противном случае они имеют тенденцию впитывать влагу из глаз посредством осмоса, поскольку теряют воду во время носки.
1. Очистка воды
Этот процесс широко используется для удаления из воды распространенных загрязняющих веществ, в том числе пестицидов свинца, нитратов, фтора, сульфатов, мышьяка, бактерий и многого другого.
Обратный осмос что это
Проблемы низкого качества и нестабильного состава воды, которая течет из крана, актуальны для многих городов России. По мнению экспертов в сфере водоснабжения, главные причины такого явления кроются в отсутствии контроля санитарных зон вокруг водозаборов, недостаточной оснащенности распределительных узлов и изношенности водопроводных сетей. Эффективным способом решения этой проблемы на уровне дома или собственной квартиры считается установка мембранного фильтра, который действует по принципу обратного осмоса (ОО). Ниже мы рассмотрим базовые элементы технологии, оборудование для систем бытовой и промышленной водоподготовки.
Обратный осмос: что это такое
Что такое осмос и обратный осмос: в чем различия
Явление осмоса (прямой осмос) лежит в основе обменных процессов всех живых организмов на клеточном уровне. Благодаря ему «работают» водно-солевой обмен, получение питательных веществ, вывод продуктов жизнедеятельности. Для протекания процесса нужны раствор, растворитель и разделяющая их полупроницаемая мембрана, которая является барьером для растворенного вещества.
Важно! В растительных и животных организмах роль полупроницаемой перегородки играет стенка клетки. Искусственные мембраны изготавливаются из органической синтетики.
Что такое мембрана обратного осмоса
Для фильтров обратного осмоса используют полупроницаемые мембраны. Мембрана обратного осмоса состоит из:
В картридже фильтра обратного осмоса мембрана свернута в рулон. Такая конструкция позволяет получить большую площадь активной поверхности и поместить ее в компактный корпус стандартного типоразмера.
Для чего нужны фильтры с системой обратного осмоса
Мембраны хорошо отфильтровывают органические вещества, молекулы которых значительно крупнее, чем у минеральных солей. Соединения с молекулярной массой выше 150 Da удаляются из воды на 100 %. Вероятность проникновения бактерий и вирусов через фильтр практически нулевая. Исключение составляют картриджи с механическими повреждениями мембраны. Очищенная вода, полученная на нормально работающей установке, не требует кипячения и дозирования дезинфицирующих веществ.
Но что очищает обратный осмос? Все ли вещества задерживаются на мембранах? Обратноосмотические мембраны свободно пропускают растворенные двухатомные газы: кислород, азот, водород.
В чем суть обратного осмоса
Для чего нужна установка обратного осмоса
Промышленный обратный осмос: что это такое
Коммерческие и промышленные установки обратного осмоса представляют собой высокопроизводительные системы очистки воды с полуавтоматическим или полностью автоматизированным управлением. В их состав входит несколько модулей, отвечающих за предварительную подготовку и мембранную очистку.
Типовая установка промышленного обратного осмоса для получения технической воды состоит из следующих элементов:
Обратный осмос: как это устроено
Для протекания обратного осмоса нужно высокое рабочее давление, которое создается высоконапорным насосом. Системы комплектуются датчиками, манометрами, автоматическими сбросными клапанами, трубной обвязкой. Для контроля качества очищенной воды устанавливают TDS-метр.
Работа установки состоит из двух стадий:
Управление выполняется микроконтроллером. Поскольку исходная вода различается по составу, комплектация и наладка системы выполняется индивидуально. Могут потребоваться дополнительные стадии предподготовки.
Важно! При хорошем качестве исходной воды удается отказаться от некоторых стадий предварительной фильтрации, упростить и удешевить установку.
Бытовой обратный осмос для воды: для чего он нужен
На рынке оборудования представлен широкий выбор модульных систем обратного осмоса для частных домов и коттеджей, которые обычно размещают в отдельном помещении. Также есть моноблочные модели для квартир с централизованным водоснабжением. От промышленных обратноосмотических систем их отличает два параметра: производительность и расход воды. Но что такое обратный осмос в бытовых фильтрах?
Важно! Ресурс работы бытовых и промышленных мембран обратного осмоса большинства производителей составляет 1 год. Картриджи предварительной очистки меняют раз в полгода.
Почему обратноосмотические фильтры пользуются спросом
Компания Diasel занимается продажей промышленных и бытовых систем обратного осмоса. Наши специалисты предложат готовую модификацию или поберут комплект оборудования для частных заказчиков и предприятий. Мы найдем решение по результатам анализа исходной воды и требуемой производительности. Оформить заявку можно через «Обратную связь» или по телефону 8-499-391-39-59.