Дифузія та осмос. Осмотичний тиск розчинів. Біологічне значення осмосу, осмотичного тиску

Дифузія - це процес, який приводить до самовільного зменшення гра­дієнту концентрацій у розчині до тих пір, поки не встановиться рівномірний розподіл частинок. Процес дифузії відіграє важливу роль у багатьох хімічних і біологічних системах.

Розглянемо посудину, розділену плоскою вертикальною стінкою, у лівій частині якої з находиться чистий розчинник, а у правій-розчин, виготовлений з тим же розчинником. Якщо тепер забрати стінку, то внаслідок хаотичного руху молекул у всіх напрямках межа між розчином і розчинником буде зміщуватись до тих пір, поки вся система не стане однорідною. Таке явище дифузії дуже зручно спостерігати візуально, якщо у склянку з водою кинути кристалик перманганату калію. Від кристалика починають виділятися фіоле­тового кольору смуги, які піднімаються нагору і розходяться у всіх напрямках. Через деякий час, коли кристалик перманганату повністю розчиниться, увесь розчин стає малинового кольору.

Диффузия — это самопроизвольный процесс вы­равнивания концентрации растворенного вещества в растворе. Она обусловлена тепловым движением час­тиц растворенного вещества и растворителя, причем растворенное вещество в растворе перемещается в сторону меньшей концентрации.

Диффузия наблюдается и при соприкосновении растворов разных концентраций. При этом количество частиц растворенного вещества, проходящее в единицу времени в сторону менее концентрированного раство­ра, будет больше, чем в обратном направлении.

Следует отметить, что явление диффузии присуще как истинным, так и коллоидным растворам. Диффу­зия наблюдается не только в жидкостях, но и в газах, и в твердых телах, причем ее скорость наибольшая в газах и наименьшая в твердых телах.

Диффузия может быть выражена количественно. Предположим, что на некотором расстоянии х₁ от дна сосуда (рис. 9)

концентрация раствора равна с₁, а на расстоянии х₂ концентрация — с₂, причем с₁ > с₂. Следовательно, изменение концентрации, приходя­щееся на единицу расстояния между с₁ и с₂ (градиент концентрации), равно

c₂ — c₁ Δс

------------ = - ------
x₂ — x₁ Δx

(знак минус потому, что с₁ > с₂). Согласно закону Фика, количество растворенного вещества m, прохо­дящее за время t через площадь поперечного сечения сосуда S, находящуюся посередине между с₁ и с₂, будет равно:

Δс

M = - DC ------ ^. t

Δx

где D — коэффициент диффузии, численно равный ко­личеству вещества, диффундирующего за единицу времени через 1 см² поверхности раздела при гра­диенте концентраций, равном 1.

РОЛЬ ДИФФУЗИИ В БИОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ

Явление диффузии играет очень важную роль в процессах перемещения различных питательных ве­ществ и продуктов обмена в тканевых жидкостях. Немаловажное значение имеет низкая вязкость воды (0,01 г ^. см^{-1 .} сек^-1), в связи с чем скорость диффузии в воде выше, чем во многих других растворителях.

В живых организмах диффузия тесно связана с другими биологическими явлениями. Получены экс­периментальные данные, указывающие на то, что скорость многих физико-химических процессов в организме зависит прежде всего от скорости диффузий реагирующих веществ, т. е. от скорости «доставки сырья» (Н. А. Габелова). Общая кинетика биологи­ческих явлений определяется наиболее медленным их этапом — диффузией реагентов, а не биохимическими реакциями, протекающими при участии ферментов с очень большой скоростью.

В свою очередь диффузия в живых организмах регулируется функциональным состоянием тканей и зависит от их физико-химического строения. Так, если соприкасаются два вещества (например жир и белок), в одном из которых диффундирующее веще­ство растворяется лучше, чем в другом (эфир лучше растворяется в жире), то диффузия пойдет против градиента концентрации (эфир будет диффундировать в жир, в нем концентрация эфира будет выше, чем в белке). Каждая клетка организма представляет слож­нейшую систему различных веществ (систему фаз), существенно влияющую на направление и скорость диффузии различных веществ. Изменение функцио­нального состояния клетки, тесно связанное с общи­ми регуляторными механизмами живых организмов, сопровождается изменением состояния фаз, их объе­мов, величины поверхности раздела между ними. Все это приводит к определенным изменениям в диф­фузии различных веществ. Интенсивность обменных реакций также оказывает регулирующее влияние на диффузию. Повышение обменных процессов приводит к усилению использования диффундирующих реаген­тов и к накоплению продуктов реакций, что в свою очередь повышает градиенты их концентраций и уве­личивает диффузию. Понижение интенсивности об­менных процессов действует в обратном направлении.

Дата добавления: 2014-01-15