Коллоидно-осмотическое давление. Феномен массопереноса воды

Обновлено: 17.05.2024

Перепады давления управляют движением жидкости через физиологические мембраны.

Три фактора, которые способствуют этому:

гидростатическое / гидравлическое давление;
осмотическое давление;
проницаемость капиллярных мембран.

Когда гидростатическое давление значительно превышает осмотическое давление внутри сосудистого пространства, вода и растворенные вещества транспортируются в интерстициальное пространство, это и приводит к интерстициальному отеку. Отек также возникает, когда происходит рассеивание капилляров из-за нарушения целостности мембраны, например, при ожогах или анафилаксии.

Физиология коллоидно-осмотического давления

Гидростатическое давление возникает под действием силы тяжести столба жидкости, гидравлическое обусловлено действием, подаваемом насосом. Вместе эти две силы способствуют повышению кровяного давления и движению жидкости в сосудистое пространство и обратно. Регулирование особенно важно на уровне капилляров (в системе кровообращения, где существует проницаемость как для растворенного вещества, так и для воды).

Осмотическое давление зависит от избирательной проницаемости мембран. Пример: два основных иона внеклеточной жидкости: Na+ и Cl-, которые быстро перемещаются между плазмой и интерстициальными жидкостными пространствами, делают их неэффективными осмотическими агентами. Белки же, напротив, ограничены плазменным отсеком, который делает их эффективными осмотическими агентами, способными вытягивать воду из интерстициального пространства (концентрация белка низкая) в плазменный отсек (концентрация белка высокая). Эффективное осмотическое давление в данном примере, оказываемое белками плазмы на движение жидкости между двумя отсеками, представляет собой коллоидно-осмотическое давление.

Клеточный уровень регуляции коллоидно-осмотического давления

Недавние исследования показали, что модель баланса фильтрации и реабсорбции имеет неточности в изображении микроциркуляции в большинстве тканей. Майкл и Филлипс бросили вызов традиционной модели и прибегнули к использованию капилляров брыжейки лягушки, чтобы продемонстрировать быстрое поглощение жидкости, когда гидростатическое давление в капилляре падает ниже плазменного онкотического давления. Однако динамика жидкости изменилась. Когда гидростатическое давление в капилляре было ниже, чем плазменное онкотическое давление, поглощения не происходило. Это доказывает, что капилляры в системах органов низкого давления могут поглощать жидкость только временно, а не постоянно. Это сделало очевидным наличие дополнительного фактора, влияющего на динамику, а именно взаимодействия между онкотическим давлением интерстиция и скоростью капиллярной фильтрации. Существуют исключения, в которых чистая абсорбция в стационарном состоянии, как это было показано в лимфатических узлах, перитубулярных капиллярах коры головного мозга и восходящей Vasa recta продолговатого мозга.

Механизм действия и регуляция осмотического давления коллоидов

Движение жидкости через мембраны объясняются действием сил Старлинга и уравнением Старлинга. Кровяное давление внутри капилляра (приблизительно 30 мм рт.ст.), называемое капиллярным гидростатическим давлением, является внешней силой фильтрации из плазменного пространства в интерстиций. Противоположная сила, то есть гидростатическое давление, оказываемое интерстицием на капилляр, близка к нулю, это делает ее не способствующей чистому движению жидкости через капиллярные мембраны. Основная реабсорбтивная сила в этой системе исходит от коллоидного осмотического давления внутри капилляра (около 20 мм рт.ст.), тогда как коллоидное осмотическое давление интерстиция, вытягивающего жидкость из сосудистой сети, обычно близко к нулю. Существует баланс между кровяным давлением в капилляре и коллоидным онкотическим давлением плазмы, что приводит к постоянному объему сосудов в системе. На самом деле фильтрация превышает реабсорбцию примерно на 10%, и это несоответствие возвращается в сосудистую систему через лимфатические узлы. Коэффициент проницаемости (K) определяет, сколько жидкости будет двигаться при заданном перепаде давления. Уравнение Старлинга можно записать следующим образом:

Движение жидкости = (K) * [силы фильтрации-реабсорбционные силы].

Эти силы динамичны в разных локациях сосудистой системы. На уровне капилляра, например, среднее артериальное давление на артериолярном конце равно 30 мм рт.ст. Это давление падает при достижении венозного конца капилляра. Коллоидное осмотическое давление на артериолярном конце составляет около 15 мм рт.ст. и, в зависимости от того, происходит ли чистая фильтрация или реабсорбция, меняется. Если фильтрация превышает реабсорбцию, коллоидное осмотическое давление будет увеличиваться на венозном конце капилляра. Если реабсорбция превышает фильтрацию, коллоидное осмотическое давление будет снижаться на венозном конце капилляра.

Силы Старлинга объясняют движение воды и растворенных веществ через мембраны в сосудистой системе и механизм, лежащий в основе постоянства объема сосудов. Они не объясняют физиологию всех важных метаболических веществ. Например, доставка кислорода и удаление отходов зависят от градиентов концентрации, которые остаются неучтенными в уравнении Старлинга.

Изучение и оценка коллоидно-осмотического давления

Коллоидное осмотическое давление (КОД) может быть рассчитано с помощью уравнения фактора Ван-Хоффа. Расчет усложняется в аномальных физиологических условиях из-за нескольких факторов: отсутствие пропорциональных изменений в белке и солях, гетерогенность участвующих белков и взаимодействие между ними. Они требуют измерения коллоидного осмотического давления непосредственно в определенных ситуациях.

Одним из методов прямого измерения интерстициального коллоидного осмотического давления является метод фитиля - отбор проб интерстициального КОД с помощью мультифиламентных нейлоновых фитилей, которые сначала промывают и замачивают в грунтовочном растворе перед вшиванием в подкожную клетчатку исследуемого животного. Через некоторое время фитили вынимают, а жидкость из фитиля выделяют центрифугированием.

Другим методом измерения является перекрестный метод - затравка фитилей в нескольких различных растворах различной концентрации. Коллоидно-осмотическое давление в жидкости внутри фитиля увеличивается при имплантации только в фитилях, загрунтованных жидкостью с более низкой концентрацией белка, чем в ISF - СВБ (сульфатвосстанавливающие бактерии?). Путем построения графика КОД затравочной жидкости против КОД фитильной жидкости после имплантации можно построить линейный график с точкой пересечения этих двух точек, представляющей истинный КОД интерстиция.

Клиническое значение нарушений коллоидно-осмотического давления

Нормальное изменение коллоидного осмотического давления было предметом исследований. В одном обзоре Моризетт ссылается на исследование, которое показало, что среднее коллоидно-осмотическое давление у лиц моложе 50 лет составляет 21,1 мм рт.ст., что значительно выше, чем среднее КОД 19,7 у лиц в возрасте от 70 до 89 лет. Мужчины также имели значительно более высокое коллоидно-осмотическое давление, чем женщины в разных возрастных группах.

Неотложная помощь и острая сердечная недостаточность

Скорая неотложная помощь - это обстановка, в которой наблюдаются клинические проявления аномального баланса жидкости и оказывают решающее влияние на исход пациентa. Отек легких может возникнуть, когда градиент между коллоидно-осмотическим давлением и давлением заклинивания легочной артерии (PAWP) уменьшается - PAWP в этом примере представляет собой внешнее гидростатическое давление в легочном сосудистом пространстве. Рэккоу показал, что чем больше снижение градиента КОД-PAWP, тем больше увеличивается выраженность отека легких. Они экстраполировали из этого, что градиент КОД-PAWP предсказывал смертность у пациентов с шоком, но не влиял на исходы у пациентов с отеком легких без шока.

При левожелудочковой недостаточности из-за значительно повышенного конечного диастолического объема левого желудочка давление PAWP увеличивается, что приводит к снижению градиента КОД-PAWP. Жидкость поступает в легочное интерстициальное пространство - отек легких. При таких обстоятельствах отек жидкости будет больше в зависимых областях, потому что пациент испытывает повышенную одышку при лежании (ортопноэ).

Исследователи пытались манипулировать градиентом КОД-PAWP, увеличивая концентрацию КОД в плазме крови с помощью инфузии альбумина, чтобы восстановить внутрисосудистый объем крови и предотвратить потерю жидкости в интерстиции. В конце концов, альбумин составляет примерно 80% от общего онкотического давления, оказываемого плазмой крови на интерстициальную жидкость. Инфузия одного только альбумина может привести к улучшению состояния у 40% критически больных пациентов, согласно одному исследованию, в то время как добавление мощного мочегонного средства, такого как этакриновая кислота, улучшило этот процент до 70%. Исходя из этого, стоит отметить, что инфузия альбумина сама по себе как средство коррекции баланса жидкости является чрезмерным упрощением основных физиологических концепций, изложенных Старлингом. В игру вступают качество вовлеченных мембран, транскапиллярный выход альбумина после инфузии, изменение объема плазмы и другие факторы.

Состояние гипоальбуминемии

Гипоальбуминемия может возникать в результате нарушения всасывания альбумина или потери альбумина кишечника (белковая энтеропатия), нарушения синтеза белка печенью (хроническое заболевание печени) или потери белка почками (нефротический синдром). При таких условиях коллоидное осмотическое давление будет значительно снижено, что приведет к выходу воды и растворенных веществ из капилляров в интерстициальное пространство.

Беременность

Беременность - это еще одно физиологическое обстоятельство, при котором происходят сдвиги жидкости между внутрисосудистым и интерстициальным пространствами, причем коллоидно-осмотическое давление играет определенную роль. Увеличение объема плазмы происходит при нормальной беременности, что объясняет снижение коллоидно-осмотического давления при условии отсутствия соответствующего увеличения коллоидов. Объем эритроцитов увеличивается и во время беременности, хотя и меньше объема плазмы. Ученые измеряли общее содержание твердых веществ в сыворотке крови, как маркер КОД, поскольку основным компонентом является альбумин, основной коллоидный детерминант КОД. Они обнаружили, что коллоидно-осмотическое давление постепенно снижалось во время беременности до низкой точки между 30 и 34 неделями беременности и продолжал расти, следуя параболическому тренду квадратичного уравнения. Корреляция этого показателя со средним артериальным давлением указывает на направление сдвигов жидкости на протяжении всей беременности.

Сахарный Диабет 1 Типа

Повреждение микроциркуляторного русла является одним из многих физиологических изменений, которые происходят при длительном сахарном диабете. Нарушение проницаемости капилляров для белков приводит к изменению транскапиллярного коллоидного осмотического градиента. Ученые обнаружили, что у пациентов с длительным сахарным диабетом 1-го типа было снижено интерстициальное коллоидное осмотическое давление с повышенным транскапиллярным осмотическим градиентом по сравнению с нормальными испытуемыми. Повышенная проницаемость микрососудов для белков должна сама по себе увеличивать количество белка в интерстиции, тем самым повышая интерстициальное онкотическое давление. Предполагалось, что причиной противоположного вывода в этом исследовании является повышенная чистая капиллярная фильтрация, либо из-за повышенного коэффициента капиллярной фильтрации, либо из-за повышенного гидростатического капиллярного давления, а также возникающее в результате этого лимфатическое вымывание белков из интерстиция. Повышенный коллоидно-осмотический градиент между сосудистым пространством и интерстицием способствует сохранению объема плазмы и ограничивает развитие отека.

Литература по физиологии и патологии коллоидно-осмотическое давления

Полезно знать

© VetConsult+, 2016. Все права защищены. Использование любых материалов, размещённых на сайте, разрешается при условии ссылки на ресурс. При копировании либо частичном использовании материалов со страниц сайта обязательно размещать прямую открытую для поисковых систем гиперссылку, расположенную в подзаголовке или в первом абзаце статьи.

Молекулярно-кинетические свойства дисперсных систем.

Коллоидные системы обладают молекулярно-кинетическими свойствами, к которым относятся диффузия, броуновское движение и осмос.

Броуновское движение - это непрерывное беспорядочное движение частиц микроскопических и коллоидных размеров, не затухающие во времени. Это движение тем интенсивнее, чем выше температура и чем меньше масса частицы и вязкость дисперсионной среды.

Броуновское движение открыл в 1827 г английский ботаник Роберт Броун, рассматривая под микроскопом водную суспензию цветочной пыльцы. Некоторые исследователи объясняли обнаруженное явление жизнедеятельностью пыльцы, однако позднее оказалось, что броуновское движение свойственно всем суспензиям, в том числе и суспензиям неорганических веществ.

Объяснение этого явления долгое время связывали с внешними причинами - нарушением механического равновесия, температурных условий и т. д. Гуи и Экснер предположили, что оно является следствием теплового движения молекул дисперсионной среды. Эта точка зрения была теоретически подтверждена Эйнштейном и Смолуховским, а затем доказана экспериментально Перреном, Сведбергом и другими исследователями.

В общих чертах явление броуновского движения можно представить следующим образом. Если частица мала, то число одновременно получаемых ею ударов со стороны молекул среды не слишком велико и возникает вероятность неравномерного распределения импульсов, получаемых частицей с разных сторон. Это обусловлено как разным количеством ударов, так и различной энергией молекул среды, сталкивающихся с частицей. В результате взвешенные в жидкости частицы приобретают поступательное, вращательное и колебательное движение.

Броуновское движение совершенно хаотично, т. е. в нем наблюдается полная равноправность всех направлений.

Для количественной характеристики броуновского движения используется средний сдвиг ,которыйсвязанскоэффициентомдиффузииуравнениемЭйнштейна-Смолуховского:

где D - коэффициент диффузии, τ - время диффузии.

Диффузией называется самопроизвольный процесс выравнивания концентрации молекул, ионов или коллоидных частиц под влиянием их теплового движения. Процесс диффузии идет самопроизвольно, поскольку он сопровождается увеличением энтропии системы. Напомним, что равномерное распределение вещества в системе отвечает ее наиболее вероятному состоянию.

Процесс диффузии является необратимым, он протекает до полного выравнивания концентрации, так как хаотическое распределение частиц отвечает максимальной энтропии системы. Возвращение системы в первоначальное состояние возможно только в результате внешних воздействий.

Стационарная диффузия является простейшим вариантом явления диффузии. Для нее характерно постоянство во времени градиента концентрации . Для количественного описания диффузии используется закон Фика, который был установлен по аналогии с законами переноса тепла и электричества:

где dQ - количество продиффундировавшего вещества; D - коэффициент диффузии; dc/dx - градиент концентрации; s - площадь, через которую идет диффузия; τ - продолжительность диффузии.

Из этого уравнения ясно виден физический смысл коэффициента диффузии.

Огромное значение для развития науки в конце XIX - начале XX века имело изучение явлений, связанных с особенностями процессов переноса вещества в дисперсных системах. Это, во-первых, явления, связанные с направленным переносом частиц под действием поля силы тяжести или в результате их теплового движения. Вы уже знаете, что такие молекулярно-кинетические свойства коллоидных систем, как броуновское движение, осмос и диффузия обусловлены хаотическим тепловым движением молекул. Молекулярно-кинетические свойства проявляются в жидкой и газообразной дисперсионных средах, молекулы которых обладают определенной подвижностью.

Молекулы жидкой и газообразной дисперсионной сред находятся в постоянном движении и сталкиваются друг с другом. Средние расстояния, которые проходит молекула до столкновения с соседней молекулой, называют средней длиной свободного пробега. Для молекул воздуха при 273 К она составляет 71 нм, а при 298 К - 20 нм. Из приведенных данных следует, что длина свободного пробега значительно превышает размеры самих молекул.

Молекулы даже одного вещества обладают различной кинетической энергией. Тем не менее, при данной температуре среднее значение кинетической энергии молекул всегда остается постоянным. Оно составляет

для одной молекулы: ; для одного моль: ,

где m - масса одной молекулу, M - масса одного моль вещества, v - скорость движения молекул.

Флуктуация (отклонение от среднего) значений кинетической энергии молекул дисперсионной среды и является причиной молекулярно-кинетических свойств.

Установление и изучение молекулярно-кинетических свойств дисперсных систем стало возможным в результате применения статистических методов исследования. Статистические методы исследования предполагают применение к системам, состоящим из множества элементов (в данном случае молекул) теории вероятности. Исходя из допущения о беспорядочности движения отдельных молекул, теория определяет наиболее вероятное сочетание для систем, состоящих из множества молекул.

Молекулярно-кинетические свойства дисперсных систем, например, коллоидных растворов, подобны аналогичным свойствам молекулярных растворов неэлектролитов. Однако у коллоидных растворов эти свойства выражены значительно слабее, т. к. при одной и той же массовой доле число частиц в коллоидном растворе значительно меньше, чем в истинном. Следует обратить внимание на то, что поскольку молекулярно-кинетические свойства определяются не химическим составом вещества, а числом кинетических единиц (атомов, молекул, ионов, коллоидных частиц), то концентрацию коллоидной системы следует выражать числом частиц дисперсной фазы в единице объема системы.

Осмос - это односторонняя диффузия молекул растворителя через полупроницаемую мембрану при условии разности концентраций раствора по обе стороны мембраны. При разделении двух растворов различной концентрации или раствора и чистого растворителя полупроницаемой перегородкой (мембраной) возникает поток растворителя от меньшей концентрации вещества к большей, что приводит к выравниванию концентраций. Возникновение потока обусловлено тем, что число ударов молекул растворителя о мембрану со стороны более разбавленного раствора (или чистого растворителя) будет больше, чем со стороны более концентрированного раствора. Это избыточное число ударов и является причиной перемещения растворителя через поры мембраны туда, где молекул меньше. Подобное объяснение является кинетической трактовкой причины осмоса.

Существует еще и термодинамическое объяснение осмотического переноса. Химический потенциал чистой жидкости μ₂ превышает химический потенциал той же жидкости в растворе μ₁. Процесс идет самопроизвольно в сторону меньшего химического потенциала до тех пор, пока не произойдет выравнивание химических потенциалов, т. е. до достижения условия μ₁₌μ₂. В результате перемещения жидкости в той емкости, куда она перемещалась, создается избыточное давление P, которое и называется осмотическим. Осмос характерен не только для истинных, но и для коллоидных растворов.

В данном случае, если коллоидный раствор отделен от дисперсионной среды полупроницаемой мембраной, не пропускающей коллоидные частицы, возникает односторонняя диффузия молекул дисперсионной среды в коллоидный раствор, т. е. осмос. Подобно броуновскому движению и диффузии, осмос является самопроизвольным процессом. Переход растворителя в коллоидный раствор будет происходить до тех пор, пока постоянно возрастающее гидростатическое давление жидкости не воспрепятствует этому. Высота подъема жидкости относительно первоначального уровня раствора количественно определяет величину осмотического давления. Таким образом, осмотическое давление можно рассматривать как такое избыточное давление над раствором, которое необходимо для исключения переноса растворителя через мембрану. Осмотическое давление равно тому давлению, которое производила бы дисперсная фаза (растворенное вещество), если бы она в виде газа при той же температуре занимала тот же объем, что и коллоидная система (раствор).

Осмотическое давление не есть проявление внешнего воздействия. Оно возникает самопроизвольно, как следствие молекулярно-кинетических свойств дисперсионной среды.

Равновесное осмотическое давление для растворов неэлектролитов рассчитывают на основании закона Вант-Гоффа по уравнению:

где с - молярность раствора.

Для коллоидных систем можно записать

Таким образом, π пропорционально числу частиц растворенного или диспергированного вещества в единице объема раствора и не зависит от природы и массы частиц. При 273 К для 1М раствора любого вещества π =1000 моль/м 3 ∙8,314 Дж/мольК∙273 К = 2,27∙10 6 Па (2,27 МПа).

Седиментация - это еще одно из явлений, связанных с молекулярно-кинетическими свойствами дисперсных систем.

Седиментацией называют процесс оседания (в редких случаях всплывание) частиц дисперсной фазы в жидкой или газообразной среде под действием силы тяжести. Седиментация характерна для суспензий. В эмульсиях, наоборот, частицы дисперсной фазы обычно всплывают.

Из уравнения для скорости седиментации следует, что скорость седиментации определяется размером частиц, разностью плотностей частиц и среды, а также вязкостью среды. Зная скорость, можно определить радиус частиц. На этом основан седиментационный анализ размеров частиц в порошках, суспензиях, эмульсиях, различных взвесях и т. д.

Способность системы сохранять равномерное распределение частиц по объему принято называть седиментационной или кинетической устойчивостью системы. Очевидно, что о седиментационной устойчивости или неустойчивости имеет смысл говорить только при рассмотрении свободнодисперсных систем, когда каждая частица свободна в своем движении, т. е. движется независимо от других частиц. Мерой кинетической устойчивости дисперсной системы является величина, обратная константе седиментации.

Как уже указывалось, частицы коллоидных размеров не седиментируют под действием силы тяжести или седиментриуют чрезвычайно медленно. Так, например, частицы кварца радиусом 0,1 мкм проходят при оседании пусть в 1 см за 86 часов.

Ускорить седиментацию можно с помощью центрифугирования, при котором на частицы действует центробежная сила, в сотни тысяч раз превышающее гравитационное поле земли. В частности, в центробежном поле с ускорением 10 5 g та же суспензия кварца должна оседать на 1 см всего за 3 с.

Осмос и осмотическое давление

Непрерывным движением молекул в жидких растворах обусловлено явление диффузии. При наличии в растворе неоднородности, например двух слоев с разными концентрациями и плотностями (рис. 12.9), частицы растворенного вещества преимущественно перемещаются в направлении слоя раствора с меньшей концентрацией. Можно визуально наблюдать постепенное перемещение интенсивно окрашенной зоны раствора вверх. Граница между слоями раствора становится все более расплывчатой, и падение концентрации от максимальной до минимальной по высоте происходит постепенно. В обратном направлении идет диффузия молекул растворителя. Скорость диффузии зависит от перепада (градиента) концентраций, размеров молекул, вязкости среды и температуры.

Диффузией называется явление самопроизвольного переноса вещества в жидкости или газе из области с большей концентрацией в область с меньшей концентрацией.

Представим себе теперь, что бесцветный раствор сахара и вода разделены пористой перегородкой, через которую могут проходить только молекулы растворителя, но нс проходят молекулы сахара. Один из давно известных способов изготовления такой перегородки состоит в том, что пористый керамический сосуд, пропитанный раствором сульфата меди, погружают в раствор желтой кровяной соли K₄[Fe(CN)₆]. В порах цилиндра образуется нерастворимая комплексная соль Cu₂[Fe(CN)₆]. Размеры пор в этом осадке таковы, что керамическая стенка сосуда приобретает свойство полупроницаемости. Возможно изготовление полупроницаемых перегородок из разнообразных материалов. Тонкие полупроницаемые перегородки называют мембранами. Оболочки растительных и животных клеток и внутриклеточные перегородки также являются полупроницаемыми мембранами, способными избирательно пропускать не только молекулы воды, но и некоторые другие молекулы и ионы.

Если в сосуд, обработанный, как описано выше, налить раствор сахара и погрузить сосуд в воду (рис. 12.10), то через мембрану будут проходить только молекулы воды. Скорость переноса воды окажется больше в направлении из чистой воды в раствор сахара. Вследствие этого объем раствора постепенно увеличивается, а концентрация его уменьшается. Наблюдаемое явление называется осмосом. Осмос идет также между двумя растворами разной концентрации, если они помещены по разные стороны мембраны. Растворитель переходит из раствора с меньшей концентрацией растворенного вещества в раствор с большей концентрацией. В этом случае перенос растворителя заканчивается при выравнивании концентрации растворов.

Осмос — это явление самопроизвольного переноса растворителя через полупроницаемую мембрану из чистого растворителя в раствор или из раствора с меньшей концентрацией растворенного вещества в раствор с большей концентрацией.

Рис. 12.9. Диффузия сульфата меди в растворе с перепадом концентрации

Осмос играет очень важную роль в жизни животных и растительных организмов. Если клетка окружена жидкостью с небольшой концентрацией растворенных веществ, то вода переносится из среды в клетку, увеличивая объем цитозоля и растягивая оболочку клетки. В результате клетка поддерживается в напряженном состоянии. Вот почему такие мягкие части растения, как травянистые стебли, листья, лепестки цветов обладают упругостью. У срезанного растения вследствие испарения воды объем цитозоля уменьшается, оболочки клеток теряют натяжение, и растение вянет. Но стоит только

начавшее вянуть растение поставить в воду, как возникает осмос, оболочки клеток снова напрягаются и растение принимает прежний вид.

В медицине строго соблюдается требование изотоничности, т.е. одинакового осмотического давления, биологических жидкостей и инъекционных растворов.

При сильном разбавлении крови водой начинается разрушение (гемолиз) кровяных клеток вследствие осмотического переноса воды внутрь клеток. Кровяные клетки, помещенные в раствор с высокой концентрацией, например 5%-ный раствор хлорида натрия, теряют воду вследствие осмоса и сжимаются — происходит плазмолиз. Эти явления предотвращаются внутривенным введением лекарств в изотоническом растворе. Изотопическим по отношению к крови является 0,9%-ный раствор хлорида натрия в воде

(плотность раствора 1,005 г/мл). р_ис. 12.Ю. Осмос:

На рис. 12.10 показано, что раствор, вода проникает в раствор через объем которого увеличивается в резуль- полупроницаемую стенку тате осмоса, постепенно поднимается но трубке. Столб жидкости, возвышающейся над наружной поверхностью воды, создает гидростатическое давление, направленное против движущей силы осмоса. При достаточном поднятии жидкости по трубке осмос прекращается. Давление столба жидкости начинает выталкивать растворитель через мембрану с такой же силой, с какой растворитель проникает в раствор. Устанавливается осмотическое равновесие. В этом состоянии давление столба жидкости равно движущей силе осмоса, называемой осмотическим давлением л.

Величина осмотического давления была исследована методом уравновешивания осмоса приложенным внешним давлением с применением осмометров, в принципе не отличающихся от прибора на рис. 12.10. Исследования разных растворов показали, что в случае разбавленных растворов осмотическое давление не зависит от природы растворенного вещества и растворителя. Оно прямо пропорционально молярной концентрации раствора и абсолютной температуре: Коэффициент k оказался одним и тем же для разных растворителей и растворенных веществ (в этом и проявляется независимость осмотического давления от природы раствора). Интереснее всего то, что численное значение этого коэффициента совпадает с универсальной газовой постоянной R = 8,31 л -кПа моль -1 • К -1 . Таким образом, можно написать окончательное уравнение

Учитывая, что молярная концентрация с = п/ У, мы можем убедиться, что уравнение (12.6) формально не отличается от уравнения состояния идеального газа:

Сходство уравнений для расчета давления газа и осмотического давления, обнаруженное голландским ученым Я. Вант-Гоффом (1852—1911), позволило ему дать следующую формулировку закона осмотического давления (закона Вант-Гоффа).

Осмотическое давление раствора равно тому давлению, которое производило бы растворенное вещество, если бы оно при той же температуре находилось в газообразном состоянии и занимало объем, равный объему раствора.

Пример 12.12. Какое осмотическое давление может производить одномолярный (1 моль в 1 л) раствор сахарозы?

Решение. Если взять газ, 1 моль которого сжат до объема 1 л при 0°С, то давление газа составит 22,4 атм, так как при давлении 1 атм газ занимал бы объем 22,4 л. Таким образом, по закону Вант-Гоффа раствор, данный в условии задачи, мог бы производить осмотическое давление 22,4 атм. Это весьма большое давление; оно приблизительно равно давлению воды на глубине 220 м.

Необходимо, однако, подчеркнуть, что, несмотря на полную аналогию числовых зависимостей, механизмы газового и осмотического давлений совершенно различны. Раствор в обычном сосуде никак не проявляет своего осмотического давления. Но представим себе раствор с концентрацией 1 моль/л, помещенный в полупроницаемую сферическую оболочку из керамики. Эту оболочку погружают в воду. Поскольку керамика не эластична, осмотический перенос воды внутрь оболочки очень быстро создаст осмотическое давление на внутреннюю поверхность 22,4 атм. Оболочка может не выдержать такого давления и разрушиться раньше, чем установится осмотическое равновесие.

Расчеты по закону Вант-Гоффа дают точные результаты только для разбавленных растворов. В концентрированных растворах наблюдаются значительные отклонения от измеренных на опыте значений. Особенно сильные отклонения обнаруживаются в водных растворах электролитов — веществ, проводящих электрический ток в водном растворе, о чем подробно будет сказано в гл. 13.

На основе зависимости между молярной концентрацией и осмотическим давлением раствора можно по измеренному значению тт вычислять молярные массы таких веществ, которые не могут быть переведены в газообразное состояние, но образуют растворы в тех или иных растворителях.

Пример 12.13. 3 г неизвестного вещества растворили в 500 мл воды. Измеренное осмотическое давление этого раствора при 20 °С составило 243,6 кПа. Вычислите молярную массу вещества.

Решение. Преобразуем уравнение Вант-Гоффа, подставив с = m/(MV):

Молекулярно-кинетические свойства коллоидных систем. Осмотическое давление. Диффузия. Броуновское движение. Седиментация.

Част. в коллоидных системах находятся в движении. Для коллоидных частиц это движение получило название броуновское движение. Коллоидные частицы перемещаются под ударами, наносимых молекулами среды, находящимися в тепловом движении. При размере частиц более 5 мк (5 10 -6 м) броуновское движение прекращается. Броуновское движение частиц можно наблюдать при использовании микроскопа.
Ввиду движения невозможно определить истинный путь коллоидной частицы. Ее путь характеризуют средним сдвигом х (среднее квадратичное значение проекции смещения частицы по оси абсцисс параллельно выбранному направлению):

где n - число сдвигов.
Следствием движения частиц является самопроизвольный процесс выравнивания их концентраций по объему. Этот процесс называется диффузией. Диффузия является проявлением теплового движения молекул. Законы диффузии сформулированы Фиком (1855 г).
закон Фика
где m - количество ( в молях) диффундирующего вещества;
dc/dτ - градиент концентрации диффундирующего вещества;
S - площадь поверхности, через которую происходит диффузия;
τ- время; D - коэффициент диффузии.
Величина коэффициента диффузии зависит от свойств диффундирующих частиц и среды. Чем больше размер частиц, тем меньше коэффициент диффузии и скорость процесса.
м 2 /с, уравнение Эйнштейна

где R - газовая постоянная (8,31 Дж/моль град);
Т - абсолютная температура, К;
N - число Авогадро (6,02 × 10 23 );
r - радиус частицы, м;
η - вязкость среды, Н × с /м 2 .
Поскольку размеры коллоидных частиц больше размера молекул, скорость диффузии и коэффициент диффузии (D) частиц дисперсной фазы в коллоидных р-рах значительно меньше, чем в истинных р-рах.
Уравнение Эйнштейна позволяет определить молярную массу диффундирующего вещества (М) и радиус его частиц (r):
M = V_{частицы} γ N, где γ - плотность вещества, N - число Авагадро.
Эти следствия уравнения Эйнштейна часто используют для определения размера коллоидных частиц и их молярной массы, имея в наличии результаты экспериментального измерения коэффициента диффузии.
Для коллоидных растворов установлена связь между средним сдвигом коллоидной частицы и коэффициентом диффузии. Эта зависимость носит название уравнение Эйнштейна - Смолуховского.

Коллоидные растворы, так же как истинные растворы, характеризуются осмотическим давлением (р).
Осмотическое давление - избыточное гидростатическое давление на р-р, отделённый от чистого растворителя полупроницаемой мембраной, при к-м прекращается диффузия растворителя через мембрану.
Представим два сосуда, помещенные один в другой. Внешний сосуд заполнен водой. Внутренний сосуд имеет дно, выполненное из полупроницаемого материала, и трубку, в которую возможен подъем жидкости. Внутренний сосуд заполнен раствором. Полупроницаемая перегодка может пропускать молекулы воды. Хотя вода может диффундировать в обе стороны от перегодки, скорость ее прохождения из внешнего сосуда во внутренний будет больше, чем в обратном направлении. Кол-во жидкости во внутреннем сосуде будет ув., жидкость будет подниматься по трубке вверх. Описанное явление самопроизвольного перехода растворителя в раствор, отделенный от него полупроницаемой перегородкой, называется осмосом.
По мере подъема жидкости в трубке происходит повышение гидростатического давления, под которым находится раст-р во внутреннем сосуде. В результате этого происходит ув скорости перехода молекул воды из внутреннего сосуда во внешний. Подъем жидкости в трубке прекратится. Давление, которое отвечает такому равновесию, называется осмотическим давлением.
Осмотическое давление в разбавленных растворах не зависит в явной форме от природы растворенного вещества и растворителя, но очень сильно зависит от концентрации, а точнее, от числа частиц растворенного вещества в единице объема раствора. Эта зависимость описана уравнением Вант-Гоффа:
где с - концентрация частиц в растворе , кг/м 3 ;
М - молярная (мицеллярная) масса, кг/моль.
Осмотическое давление раствора пропорционально числу отдельных частиц, принимающих участие в молекулярно-тепловом движении. Так как число таких частиц при той же молярной концентрации в коллоидном р-ре значительно меньше, чем в истинном, осмотическое давление коллоидных растворов мало.

Седиментация — оседание частиц дисперсной фазы в жидкой или газообразной дисперсионной среде в гравитационном поле или в поле центробежных сил.

Седиментация происходит, если направленное движение частиц под действием силы тяжести или центробежной силы преобладает над хаотическим тепловым движением частиц. Скорость седиментации зависит от массы, размера и формы частиц, вязкости и плотности среды, а также ускорения, возникающего при действии на частицы упомянутых выше сил. Седиментация в дисперсных системах сопровождается укрупнением частиц вследствие коагуляции или коалесценции. Седиментация в центрифугах и ультрацентрифугах, а также в гравитационном поле лежит в основе седиментационного анализа.

Найдите 2 минуты и прочитайте про:

Административные правоотношения - это урегулированные нормами административного права фактические.
Смазки для мастурбации и стимуляции рукой Не пользуйтесь кремом для рук, если вы занимаетесь мастурбацией или мануальной стимуляцией половых органов.
Понятие, признаки, функции, принципы государственного управления Государственное управление: а) в широком понимании - деятельность всех органов государства по реализации возложенных полномочий.
Конфликт. Понятие, определение, виды Курсовая работа По теме: « конфликт и его роль в менеджменте» Подготовил студент 3 курса группы 306 ОРГ Гетта.
КЛАССИФИКАЦИЯ ОПАСНОСТЕЙ Безопасность жизнедеятельности (БЖД) - наука, которая изучает проблемы безопасного пребывания человека в окружающей среде в процессе.

Если разделить раствор и растворитель при помощи полупроницаемой перегородки (мембраны), пропускающей свободно молекулы растворителя и задерживающей молекулы растворенного вещества, то наблюдается односторонняя диффузия растворителя.

Такого рода диффузия обусловливается тем, что число молекул растворителя в единице объема больше, чем в таком же объеме раствора, так как в растворе часть объема занимают молекулы растворенного вещества. В результате молекулярного движения перемещение молекул растворителя через мембрану из растворителя в раствор преобладает над перемещением их в обратном направлении.

Односторонняя диффузия растворителя к раствору называется осмосом, а сила, обусловливающая осмос, отнесенная к единице поверхности полупроницаемой мембраны, называется осмотическим давлением.

В результате осмоса и диффузии выравнивается концентрация, причем способы, которыми достигается это выравнивание, принципиально различны. В процессе диффузии равенство концентраций достигается перемещением молекул растворенного вещества, а в случае осмоса - перемещением молекул растворителя.

Механизм осмоса нельзя объяснить только тем, что полупроницаемые мембраны играют роль сита с ячейками, через которые свободно проходят молекулы растворителя, но не проходят молекулы растворенного вещества.

По-видимому, механизм осмоса значительно сложнее. Здесь большую роль играют строение и состав мембраны.

В зависимости от природы мембраны механизм осмоса будет различен. В одних случаях через мембрану свободно проходят только те вещества, которые в ней растворяются, в других случаях мембрана взаимодействует с растворителем, образуя промежуточные непрочные соединения, которые легко распадаются, и, наконец, она может представлять и пористую перегородку с определенными размерами пор.

Для измерения осмотического давления в сосуд с полупроницаемыми стенками наливают исследуемый раствор и плотно закрывают пробкой, в которую вставлена трубка, соединенная с манометром. Такой прибор для измерения осмотического давления называется осмометром.

Осмометр с раствором погружают в сосуд с растворителем. В начале процесса растворитель из наружного сосуда диффундирует в осмометр с большей скоростью, чем из него, поэтому уровень жидкости в трубке осмометра поднимается, что создает в ней гидростатическое давление, которое постепенно увеличивается. По мере увеличения гидростатического давления скорости диффузии растворителя в осмометр и из осмометра уравниваются, в результате чего наступает состояние динамического равновесия, подъем жидкости в трубке осмометра прекращается.

Гидростатическое давление, установившееся в результате осмоса, служит мерой осмотического давления.

Измерение осмотического давления при помощи осмометра не всегда возможно с достаточной точностью, так как не существует мембран, способных задерживать все частицы растворенного вещества. Измеряемое значение осмотического давления для одного и того же раствора будет, следовательно, в какой-то мере зависеть от природы мембраны.

Осмотическое давление возникает лишь на границе между раствором и растворителем (или раствором другой концентрации), если эта граница образована полупроницаемой перегородкой. Раствор, содержащийся в обыкновенном сосуде, не оказывает на его стенки никакого иного давления, кроме обычного гидростатического. Поэтому осмотическое давление надо рассматривать не как свойство растворенного вещества, или растворителя, или самого раствора, а как свойство системы из растворителя и раствора с полупроницаемой перегородкой между ними.

Зако́ны Ра́уля — общее название открытых французским химиком Ф. М. Раулем в 1887 г. количественных закономерностей, описывающих некоторые коллигативные (зависящие отконцентрации, но не от природы растворённого вещества) свойства растворов.

Первый закон Рауля связывает давление насыщенного пара над раствором с его составом; он формулируется следующим образом:

· Парциальное давление насыщенного пара компонента раствора прямо пропорционально его мольной доле в растворе, причём коэффициент пропорциональности равен давлению насыщенного пара над чистым компонентом.

Для бинарного раствора, состоящего из компонентов А и В (компонент А считаем растворителем) удобнее использовать другую формулировку:

· Относительное понижение парциального давления пара растворителя над раствором не зависит от природы растворённого вещества и равно его мольной доле в растворе.

На поверхности оказывается меньше способных испаряться молекул растворителя, ведь часть места занимает растворённое вещество.

Растворы, для которых выполняется закон Рауля, называются идеальными. Идеальными при любых концентрациях являются растворы, компоненты которых очень близки по физическим и химическим свойствам (оптические изомеры, гомологи и т. п.), и образование которых не сопровождается изменением объёма и выделением либо поглощением теплоты. В этом случае силы межмолекулярного взаимодействиямежду однородными и разнородными частицами примерно одинаковы, и образование раствора обусловлено лишь энтропийным фактором.

Растворы, компоненты которых существенно различаются по физическим и химическим свойствам, подчиняются закону Рауля лишь в области очень малых концентраций; при больших концентрациях наблюдаются отклонения от закона Рауля. Случай, когда истинные парциальные давления паров над смесью больше, чем вычисленные по закону Рауля, называют положительными отклонениями. Противоположный случай, когда парциальные давления паров компонентов оказываются меньше вычисленных — отрицательные отклонения.

Причиной отклонений от закона Рауля является то обстоятельство, что однородные частицы взаимодействуют друг с другом иначе, чем разнородные (сильнее в случае положительных и слабее в случае отрицательных отклонений).

Реальные растворы с положительными отклонениями от закона Рауля образуются из чистых компонентов с поглощением теплоты (ΔН_раств > 0); объём раствора оказывается больше, чем сумма исходных объёмов компонентов (ΔV > 0). Растворы с отрицательными отклонениями от закона Рауля образуются с выделением теплоты (ΔН_раств < 0); объём раствора в этом случае будет меньше, чем сумма исходных объёмов компонентов (ΔV < 0).

Тот факт, что давление паров над раствором отличается от давления паров над чистым растворителем, существенно влияет на процессы кристаллизации и кипения. Из первого закона Рауля выводятся два следствия, касающиеся понижения температуры замерзания и повышения температуры кипения растворов, которые в объединённом виде известны как второй закон Рауля.

Условием кристаллизации является равенство давления насыщенного пара растворителя над раствором давлению пара над твёрдым растворителем. Поскольку давление пара растворителя над раствором всегда ниже, чем над чистым растворителем, это равенство всегда будет достигаться при температуре более низкой, чем температура замерзания растворителя. Так, океанская вода начинает замерзать при температуре около минус 2 °C.

Разность между температурой кристаллизации растворителя T°_fr и температурой начала кристаллизации раствора T_fr есть понижение температуры кристаллизации.

· Понижение температуры кристаллизации бесконечно разбавленных растворов не зависит от природы растворённого вещества и прямо пропорционально моляльной концентрациираствора.

Поскольку по мере кристаллизации растворителя из раствора концентрация последнего возрастает, растворы не имеют определённой температуры замерзания и кристаллизуются в некотором интервале температур.

Жидкость кипит при той температуре, при которой общее давление насыщенного пара становится равным внешнему давлению. Если растворённое вещество нелетуче (то есть давлением его насыщенных паров над раствором можно пренебречь), то общее давление насыщенного пара над раствором равно парциальному давлению паров растворителя. В этом случае давление насыщенных паров над раствором при любой температуре будет меньше, чем над чистым растворителем, и равенство его внешнему давлению будет достигаться при более высокой температуре. Таким образом, температура кипения раствора нелетучего вещества T_b всегда выше, чем температура кипения чистого растворителя при том же давлении T°_b.

· Повышение температуры кипения бесконечно разбавленных растворов нелетучих веществ не зависит от природы растворённого вещества и прямо пропорционально моляльной концентрации раствора

Коэффициенты пропорциональности К и Е в приведённых выше уравнениях — соответственно криоскопическая и эбулиоскопическая постоянные растворителя, имеющие физический смысл понижения температуры кристаллизации и повышения температуры кипения раствора с концентрацией 1 моль/кг. Для воды они равны 1.86 и 0.52 K·моль −1 ·кг соответственно. Поскольку одномоляльный раствор не является бесконечно разбавленным, второй закон Рауля для него в общем случае не выполняется, и величины этих констант получаютэкстраполяцией зависимости из области малых концентраций до m = 1 моль/кг.

Для водных растворов в уравнениях второго закона Рауля моляльную концентрацию иногда заменяют молярной. В общем случае такая замена неправомерна, и для растворов,плотность которых отличается от 1 г/см³, может привести к существенным ошибкам.

Второй закон Рауля даёт возможность экспериментально определять молекулярные массы соединений, неспособных к диссоциации в данном растворителе; его можно использовать также для определения степени диссоциации электролитов.

Законы Рауля не выполняются для растворов (даже бесконечно разбавленных), которые проводят электрический ток — растворов электролитов. Для учёта этих отклонений Вант-Гоффвнёс в приведённые выше уравнения поправку — изотонический коэффициент i, неявно учитывающий диссоциацию молекул растворённого вещества:

Неподчинение растворов электролитов законам Рауля и принципу Вант-Гоффа послужили отправной точкой для создания С. А. Аррениусом теории электролитической диссоциации.

Упругость Насыщения - упругость водяного пара, максимально возможная приданной температуре. Она тем больше, чем выше температура воздуха. По еедостижении начинается конденсация водяного пара.

Эбуллиоскопическая константа- разница между температурой кипения раствора и температурой чистого растворителя.

Криоскопическая константа- разница между температурой замерзания раствора и температурой чистого растворителя.

74. Явление осмоса, его роль в биологических системах. Осмотическое давление. Закон Вант-Гоффа.

Растворы изотонические, гипо- и гипертонические.

Явление осмоса наблюдается в тех средах, где подвижность растворителя больше подвижности растворённых веществ. Важным частным случаем осмоса является осмос через полупроницаемую мембрану. Полупроницаемыми называют мембраны, которые имеют достаточно высокую проницаемость не для всех, а лишь для некоторых веществ, в частности, для растворителя. (Подвижность растворённых веществ в мембране стремится к нулю). Как правило, это связано с размерами и подвижностью молекул, например, молекула воды меньше большинства молекул растворённых веществ. Если такая мембрана разделяет раствор и чистый растворитель, то концентрация растворителя в растворе оказывается менее высокой, поскольку там часть его молекул замещена на молекулы растворённого вещества (см. Рис. 1). Вследствие этого, переходы частиц растворителя из отдела, содержащего чистый растворитель, в раствор будут происходить чаще, чем в противоположном направлении. Соответственно, объём раствора будет увеличиваться (а концентрация вещества уменьшаться), тогда как объём растворителя будет соответственно уменьшаться.

Осмос играет важную роль во многих биологических процессах. Мембрана, окружающая нормальную клетку крови, проницаема лишь для молекул воды, кислорода, некоторых из растворённых в крови питательных веществ и продуктов клеточной жизнедеятельности; для больших белковых молекул, находящихся в растворённом состоянии внутри клетки, она непроницаема. Поэтому белки, столь важные для биологических процессов, остаются внутри клетки.

Осмос участвует в переносе питательных веществ в стволах высоких деревьев, где капиллярный перенос не способен выполнить эту функцию.

Осмос широко используют в лабораторной технике: при определении молярных характеристик полимеров, концентрировании растворов, исследовании разнообразных биологических структур. Осмотические явления иногда используются в промышленности, например при получении некоторых полимерных материалов, очистке высоко-минерализованной воды методом обратного осмоса жидкостей.

Клетки растений используют осмос также для увеличения объёма вакуоли, чтобы она распирала стенки клетки (тургорное давление). Клетки растений делают это путём запасания сахарозы. Увеличивая или уменьшая концентрацию сахарозы в цитоплазме, клетки могут регулировать осмос. За счёт этого повышается упругость растения в целом. С изменениями тургорного давления связаны многие движения растений (например, движения усов гороха и других лазающих растений). Пресноводные простейшие также имеют вакуоль, но задача вакуолей простейших заключается лишь в откачивании лишней воды из цитоплазмы для поддержания постоянной концентрации растворённых в ней веществ.

Осмос также играет большую роль в экологии водоёмов. Если концентрация соли и других веществ в воде поднимется или упадёт, то обитатели этих вод погибнут из-за пагубного воздействия осмоса.

Осмотическое давление (обозначается π) — избыточное гидростатическое давление на раствор, отделённый от чистого растворителя полупроницаемой мембраной, при котором прекращается диффузия растворителя через мембрану. Это давление стремится уравнять концентрации обоих растворов вследствие встречной диффузии молекул растворённого вещества и растворителя.

ЗАКОН ВАНТ-ГОФФА описывает зависимость ОСМОТИЧЕСКОГО ДАВЛЕНИЯ разбавленных растворов от температуры и молярной концентрации раствора:
Вант-Гофф пришел к заключению, что закон Авогадро справедлив и для разбавленных растворов. Он экспериментально установил, что осмотическое давление, представляющее собой меру стремления двух различных растворов по обе стороны мембраны к выравниванию концентрации, в слабых растворах зависит не только от концентрации, но и от температуры и, следовательно, подчиняется законам термодинамики газов. Вант-Гофф выразил осмотическое давление формулой РV = iRT, где Р означает осмотическое давление вещества, растворенного в жидкости; V - объем; R - газовую постоянную; Т - температуру и i - коэффициент, который для газов часто равен 1, а для растворов, содержащих соли, - больше единицы. Вант-Гофф смог объяснить, почему изменяется значение i, связав этот коэффициент с числом ионов, находящихся в растворе. Проведенные Вант-Гоффом исследования разбавленных растворов явились обоснованием теории электролитической диссоциации С.Аррениуса. Впоследствии Аррениус приехал в Амстердам и работал вместе с Вант-Гоффом.

Изотонический раствор (изоосмотический раствор) - раствор, осмотическое давление которого равно осмотическому давлению плазмы крови; например, 0,9 % водный раствор хлорида натрия, 5 % водный раствор глюкозы. Все эти растворы используются в терапии различных заболеваний с целью снятия интоксикации и других проявлений болезни. Изотонические расвторы, в отличие от гипертонических и гипертонических (не применяются для внутривенного введения) не приводят к гемолизу эритроцитов при внутривенном введении.

Гипотонические растворы отличаются от изотонического меньшей концентрацией и соответственно меньшим осмотическим давлением. При контакте с тканями вода из гипотонических растворов поступает в клетки тканей. Вследствие этого они набухают, а при чрезмерном накоплении в них воды наступает разрыв клеточных оболочек, т. е. лизис клеток.

Применение гипотонических растворов натрия хлорида в практике очень ограничено. В ряде случаев они используются для приготовления растворов веществ, применяемых для инфильтрационной анестезии. Действиеанестетиков в гипотонических растворах усиливается, так как последние способствуют более глубокому проникновению веществ в ткани.

Гипертонические растворы, растворы, осмотическое давление которых выше осмотического давления в растительных или животных клетках и тканях. В зависимости от функциональной, видовой и экологической специфики клеток осмотическое давление в них различно, и раствор, гипертоничный для одних клеток, может оказаться изотоничным или даже гипотоничным для др. При погружении растительных клеток в Г. р. он отсасывает воду из клеток, которые уменьшаются в объёме, а затем дальнейшее сжатие прекращается и протоплазма отстаёт от клеточных стенок (см. Плазмолиз). Эритроциты крови человека и животных в Г. р. также теряют воду и уменьшаются в объёме. Г. р. в сочетании с гипотоническими растворами иизотоническими растворами применяют для измерения осмотического давления в живых клетках и тканях.

Читайте также: