Osmoza: Co powoduje przepływ wody z wysokiego stężenia do niskiego przez membranę?
Abstrakt
Choć istnieje wiele teorii, wciąż nie ma jasności, dlaczego zachodzi osmoza? Trzy z tych wyjaśnień zostały omówione w tej pracy: dyfuzja dzięki domniemanemu gradientowi stężenia wody, wyjaśnienie związane z wodą oraz wyjaśnienie cząsteczki Van’t Hoffa. Żaden z tych mechanizmów nie wydaje się być pomocny w zachodzeniu osmozy.
Ogólne
Osmoza jest selektywnym ruchem rozpuszczalnika z roztworu przez półprzepuszczalną błonę oddzielającą dwa roztwory o różnych stężeniach. Rozpuszczalnik przemieszcza się z obszaru o wyższym stężeniu do obszaru o niższym stężeniu. Można również powtórzyć, że osmoza polega na ruchu wody przez półprzepuszczalną błonę oddzielającą dwa roztwory o różnym stężeniu z rejonu o niższym stężeniu rozpuszczalnika do rejonu o wyższym stężeniu rozpuszczalnika.
Ciśnienie osmotyczne to zewnętrzne ciśnienie, które należy zastosować, aby zatrzymać przepływ wody przez błonę.
Przepuszczalna membrana nie pozwala na przejście rozpuszczalnika przez membranę.
Powstaje oczywiste pytanie, w jaki sposób rozpuszczalnik oddzielony przez membranę, która jest przepuszczalna dla rozpuszczalnika, przemieszcza się przez membranę z regionu niższego ciśnienia osmotycznego do wyższego ciśnienia osmotycznego, pokonując ciśnienie hydrostatyczne. Ruch rozpuszczalnika z wyższego stężenia do niższego oznacza, że woda przemieszcza się z niższego ciśnienia osmotycznego do wyższego ciśnienia osmotycznego.
Na przykład, na poniższym rysunku, dwa ramiona U-rurki są oddzielone półprzepuszczalną membraną z prawym ramieniem zawierającym roztwór o niższym stężeniu rozpuszczalnika niż na lewym ramieniu. Początkowo poziom jest taki sam w obu ramionach U-rurki. Gdy rozpoczyna się osmoza, przesuwa ona rozpuszczalnik z prawego ramienia do lewego i wypycha roztwór w górę, mimo że membrana jest przepuszczalna dla rozpuszczalnika, aż ciśnienie osmotyczne w prawym ramieniu będzie równe ciśnieniu hydrostatycznemu wywieranemu przez lewe ramię.
Pytania:
Co napędza rozpuszczalnik do lewego ramienia, gdy pomiędzy dwoma ramionami U-rurki znajduje się membrana przepuszczająca rozpuszczalnik?
Czy ciśnienie osmotyczne i ciśnienie hydrostatyczne są addytywne? Czy też jest to po prostu efekt gęstości w prawym ramieniu U-rurki. Gdy rozpoczyna się osmoza, stężenie rozpuszczalnika na prawym ramieniu koncentruje się, jego gęstość wzrasta i jednocześnie wzrasta ciśnienie w prawym ramieniu, które wpycha rozpuszczalnik do lewego ramienia.
Mimo że istnieje wiele teorii, nadal nie ma jasnego poglądu na to, dlaczego zachodzi osmoza?
Poniżej podano niektóre z teorii.
Stężenie wody
Bardzo prostym wyjaśnieniem osmozy jest stężenie wody – woda w czystej wodzie jest po prostu bardziej stężona niż woda w roztworach, ponieważ rozpuszczalnik musi zająć trochę miejsca w roztworze. Rozcieńczenie wody przez solut skutkuje niższym stężeniem wody po stronie wyższego stężenia solutu na membranie i dlatego następuje dyfuzja wody wzdłuż gradientu wysokiego i niskiego stężenia. . Jeśli jest to prawda, to stężenie wody powinno być w stanie przewidzieć kierunek osmozy, gdy różne rozpuszczalniki są używane. Na przykład, 0,2 molowy roztwór sacharozy ma stężenie wody 937 g/L, a 0,2 molowy roztwór NaCl ma znacznie większe stężenie wody-989 g/L. Roztwór sacharozy powinien pobierać wodę z roztworu NaCl, gdyby oba te roztwory były oddzielone błoną półprzepuszczalną. Liczba cząsteczek NaCl i sacharozy nie powinna mieć znaczenia – znaczenie powinno mieć tylko stężenie wody.
Faktem jest jednak, że typowe molowe stężenie sacharozy o niższym stężeniu wody niż takie samo stężenie NaCl, ponieważ sacharoza jest znacznie większą cząsteczką niż NaCl wypiera więcej wody. Dlatego gradient stężenia wody nie wydaje się być istotny.
Więc to wyjaśnienie jest nie do utrzymania.
Wyjaśnienie wody związanej
Twierdzi ono, że każdy hydrofilowy solut (jak sacharoza lub NaCl) będzie wiązał wodę hydratacyjną i uniemożliwi jej swobodne przemieszczanie się. Dlatego strona błony półprzepuszczalnej z czystą wodą ma wyższe stężenie „wolnej” wody niż strona z cząsteczkami rozpuszczalnika.
Gdyby wyjaśnienie dotyczące wody związanej było prawdziwe, oczekiwalibyśmy, że większa masa hydrofilowego rozpuszczalnika wiązałaby więcej wody. Ponadto, przewidując osmozę, musielibyśmy dokładnie rozważyć, jak hydrofilowy jest solut (to znaczy, ile cząsteczek wody wiąże na cząsteczkę).
Obecne stanowisko jest takie, że liczba obecnych cząsteczek solutu ma dominujący wpływ na osmozę, a nie hydrofilowość solutu.
Tak więc, to wyjaśnienie jest wykluczone.
Wyjaśnienie dotyczące liczby cząsteczek
To wyjaśnienie opiera się na prawie Van’t Hoffa. Zgodnie z tym prawem dla rozcieńczonego roztworu w stałej temperaturze, potencjał osmotyczny jest proporcjonalny do stężenia cząsteczek solutu. Wielkość lub natura cząsteczek solutu nie ma znaczenia. Tak więc, na przykład, mały jon sodu będzie miał taki sam efekt osmotyczny jak duża cząsteczka sacharozy, a obie te cząsteczki będą równoważne bardzo dużej cząsteczce skrobi. Oznacza to również, że substancje jonizujące, takie jak NaCl, powinny mieć większy efekt osmotyczny niż substancje niejonizujące, takie jak sacharoza, ponieważ kiedy jonizują się, generują więcej cząsteczek. Prawo Van’t Hoffa w pewnym stopniu wyjaśnia osmozę lepiej niż dwa wcześniejsze wyjaśnienia, ale faktem jest, że Prawo Van’t Hoffa to związek empiryczny, a nie fizyczny opis tego, dlaczego osmoza zachodzi.
Najlepiej znane wyrażenie dla ciśnienia osmotycznego jest następujące Π = iMRT gdzie Π jest ciśnieniem osmotycznym w atm i = współczynnik Van 't Hoffa rozpuszczalnika M = stężenie molowe w mol/L R = uniwersalna stała gazowa = 0.08206 L-atm/mol-K T = temperatura bezwzględna w K Ciśnienie osmotyczne zależy od współczynnika Van’t Hoffa stężenia molowego rozpuszczalnika. Współczynnik Van’t Hoffa, wyraża stopień asocjacji lub dysocjacji solutu w roztworze. Jest to liczba cząsteczek, które solut dysocjuje w wodzie. Przykład: dla sacharozy wynosi 1, a dla NaCl wynosi 2