16. Осмос. Примеры осмотического эффекта в живых организмах
Явление перехода молекул чистого растворителя через полупроницаемую перегородку в область, занятую раствором, называется осмосом. В результате этого возникает разность давлений между раствором и чистым растворителем. Когда она достигнет определенного значения, осмос прекращается. Разность давлений, при которой осмос прекращается, называется осмотическим давлением.
Для протекания этого явления необходима перегородка (оболочка), обладающая избирательной проницаемостью, то есть пропускающая одни молекулы и не пропускающая другие.
Оболочки живых клеток представляют собой полупроницаемые перегородки, – они проницаемы для молекул воды и непроницаемы для молекул сложных органических соединений, образующихся внутри клетки в процессе ее жизнедеятельности. Благодаря этому внутри клетки образуется раствор с концентрацией несколько превышающей концентрацию внеклеточного раствора, и возникает осмотическое давление, растягивающее клеточную мембрану и делающее клетку упругой, как надутый резиновый мяч, что называется тургором клеток. Благодаря осмосу речным рыбам не нужно пить, – вода поступает в ткани не только через желудок, но и через всю внешнюю поверхность рыбы. Так что пресноводным рыбам нужно постоянно выводить избыток воды. А у морских рыб, кроме акул и скатов, концентрация клеточного раствора меньше концентрации солей в морской воде, и они вынуждены пить воду, усваивая ее через желудок. Море в прямом смысле «высасывает» воду из тканей рыб. Кстати, именно осмотическим высасыванием воды из клеток обусловлено чувство жажды, возникающее после приема соленой пищи или питья морской воды.
17. Фазовые превращения. Фазовые превращения в живых организмах и биотехнологии
Переход из одной фазы в другую называют фазовым превращением. Фазовые превращения сопровождаются скачкообразным изменением энтропии системы. Приведем примеры фазовых превращений: переход из твердой фазы в жидкую – плавление, из жидкой в твердую – кристаллизация; переход из твердой фазы в газообразную – сублимация (возгонка), из газообразной в твердую – конденсация (кристаллизация); переход из жидкой фазы в газообразную – испарение, из газообразной в жидкую – конденсация.
1. Криоконсервирование. Так называется холодное консервирование – замораживание клеток крови, спермиев и некоторых тканей для хранения и последующей пересадки. Эта технология широко применяется в животноводстве и медицине.
2. Вакуум-сублимационная (лиофильная) сушка. Технологический метод консервирования биопрепаратов (антибиотиков, вакцин, молока и т.п.), сопровождающийся удалением влаги из замороженной среды. Испарение твердого вещества называется сублимацией, а в вакууме процесс испарения становится более интенсивным, – отсюда и название метода. Данный метод позволяет сохранить клеточные структуры и даже жизнеспособность клеток и тканей.
3. Стерилизация. С ростом внешнего давления температура кипения воды возрастает. Это свойство используется при стерилизации, когда нужно уничтожить в воде, молоке или на поверхности каких-либо предметов все микроорганизмы: вирусы, бактерии и грибы. Учитывая, что некоторые из них не погибают и при 100 °С, в специальных емкостях с герметичными крышками вода нагревается до 120 °С и выше, не закипая. Это обусловлено тем, что давление насыщенного пара над водой становится выше атмосферного (пар не может выйти наружу), и температура кипения возрастает.
Источник
Примеры осмоса в природе
Осмос — это физический процесс переноса растворенных веществ через полупроницаемую мембрану из раствора из области более низкой концентрации растворенных веществ в область более высокой концентрации. Это природное явление, которое осуществляется в соответствии с разницей в осмотическом давлении между двумя областями с разной концентрацией растворенных веществ.
Полупроницаемая мембрана позволяет проходить молекулам растворителя (например, воды), но задерживает растворенные вещества (например, ионы, молекулы солей).
В результате осмоса растворитель будет перемещаться из области с более низкой концентрацией растворенных веществ в область с более высокой концентрацией, чтобы уравновесить концентрации на обеих сторонах мембраны. Это происходит до тех пор, пока разница в осмотическом давлении не будет уравновешена.
Осмос имеет большое значение в биологических системах. Например, в растениях, корневые клетки поглощают воду из почвы с более низкой концентрацией растворенных веществ и транспортируют ее вверх по стеблю к листьям, где она используется в фотосинтезе. У животных, осмос играет важную роль в регулировании уровня воды и электролитов в организме
1. Осмос в растениях: Одним из наиболее известных примеров осмоса в природе является его роль в подъеме воды из почвы в растениях. Корневые клетки растений содержат полупроницаемые мембраны, которые позволяют проникновение воды и растворенных питательных веществ из почвы в клетки растения. Вода движется из области более низкой концентрации растворенных веществ в корневые клетки, где она затем распределяется по всему растению для поддержания физиологических процессов, таких как фотосинтез.
2. Осмос в животных: Осмос также играет важную роль в животных организмах для поддержания гомеостаза. Например, у морских рыб существует постоянная угроза дегидратации из-за морской воды, которая содержит более высокую концентрацию солей, чем их внутренняя среда. Чтобы балансировать эту разницу в концентрации, рыбы активно выделяют соль через осмотические органы, такие как жаберные лабиринты. Это позволяет им сохранять нормальный уровень воды и электролитов в своих организмах.
3. Осмос и морская соль: Еще одним интересным примером осмоса в природе является процесс образования морской соли. Когда вода в океане испаряется, она оставляет позади растворенные вещества, включая соли. Поскольку вода испаряется, концентрация солей в оставшейся воде увеличивается, что приводит к формированию морских отложений.
Явление обратного осмоса
Название «обратного осмоса» говорят само за себя. Это явление обратное природному осмосу. Для его достижения, достаточно приложить избыточное (внешнее) давление в область, с наибольшей концентрацией растворенных веществ.
И тогда вместо того, чтобы перемещаться из области более низкой концентрации в область более высокой концентрации (слева на права на рисунке), вода проходит через полупроницаемую мембрану в обратном направлении, оставляя за собой все растворенные ионы (справа налево). В результате получается очищенная вода с низкой концентрацией растворенных веществ.
Процесс обратного осмоса широко применяется в различных областях промышленности, включая производство питьевой воды и удаление загрязнений из промышленных и сточных вод.
Принцип работы установок обратного основан на том же явлении. В таких системах вода под действием высокого давления, проходит через специальную полупроницаемую мембрану с маленькими порами. Эти поры позволяют пропускать только молекулы воды, тогда как соли, загрязнители, бактерии и другие растворенные вещества задерживаются и удаляются. В результате получается очищенная вода, которая может быть использована для питья или других целей.
Обратный осмос также широко применяется в процессе обессоливания морской воды. Поскольку морская вода содержит высокую концентрацию солей, она не пригодна для питья или использования. Системы обратного осмоса позволяют удалить соли и другие загрязнения из морской воды, создавая пресную воду, которая может быть использована для различных целей.Так применение обратного осмоса распространено в производстве питьевой воды на кораблях ближнего и дальнего следования и на космических станциях.
Помимо очистки воды, обратный осмос находит применение в других отраслях, таких как производство пищевых продуктов и напитков, производство фармацевтических препаратов, электроника и другие промышленные процессы, требующие очистки и концентрации растворов.
Основным преимуществом обратного осмоса является его способность удалять широкий спектр загрязнений, включая соли, тяжелые металлы, пестициды, бактерии и вирусы. Он также позволяет получать высококачественную очищенную воду без использования химических добавок, что делает его более экологически чистым методом очистки.
В заключение, осмос является важным физическим явлением в природе, которое играет значительную роль в биологических системах и геологических процессах. Обратный осмос представляет собой уникальное явление, которое находит широкое применение в области очистки воды и удаления загрязнений. Современные научные исследования продолжают улучшать процесс обратного осмоса, чтобы обеспечить доступ к чистой воде и решить проблемы с водоснабжением во всем мире.
Источник