Osmos - Osmosis
Osmos ( / ɒ z m oʊ s ɪ s / , US också / ɒ s - / ) är den spontana nettorörelse eller diffusion av lösningsmedelsmolekyler genom ett selektivt permeabelt membran från ett område med hög vattenpotential (område med lägre löst ämne -koncentration) till ett område med låg vattenpotential (region med högre koncentration av lösta ämnen), i den riktning som tenderar att utjämna lösningskoncentrationerna på de två sidorna. Det kan också användas för att beskriva en fysisk process där alla lösningsmedel rör sig över ett selektivt permeabelt membran (permeabelt för lösningsmedlet, men inte det lösta ämnet) som separerar två lösningar med olika koncentrationer. Osmos kan göras för att göra arbete . Osmotiskt tryck definieras som det yttre trycket som måste appliceras så att det inte sker någon nettorörelse av lösningsmedel över membranet. Osmotiskt tryck är en kolligativ egenskap , vilket betyder att det osmotiska trycket beror på den molära koncentrationen av löst ämne men inte på dess identitet.
Osmos är en vital process i biologiska system , eftersom biologiska membran är semipermeabla. I allmänhet är dessa membran ogenomträngliga för stora och polära molekyler, såsom joner , proteiner och polysackarider , medan de är permeabla för icke-polära eller hydrofoba molekyler som lipider samt små molekyler som syre, koldioxid, kväve och kväve oxid. Permeabiliteten beror på löslighet, laddning eller kemi, samt lösningens storlek. Vattenmolekyler färdas genom plasmamembranet, tonoplastmembranet (vakuolen) eller protoplasten genom att diffundera över fosfolipidlagret via akvaporiner (små transmembranproteiner som liknar dem som ansvarar för underlättad diffusion och jonkanaler). Osmos utgör det primära sättet för att transportera vatten in och ut ur celler . Den turgor trycket hos en cell är i stort oförändrad genom osmos över cellmembranet mellan cellens inre och dess relativt hypotonisk miljö.
Historia
Vissa typer av osmotiskt flöde har observerats sedan antiken, t.ex. vid konstruktionen av egyptiska pyramider. Jean-Antoine Nollet dokumenterade första gången observation av osmos 1748. Ordet "osmos" härstammar från orden "endosmose" och "exosmose", som myntades av den franska läkaren René Joachim Henri Dutrochet (1776–1847) från de grekiska orden ἔνδον ( éndon "inuti"), ἔξω ( éxō "yttre, yttre") och ὠσμός ( ōsmós "push, impulsion"). År 1867 uppfann Moritz Traube mycket selektiva utfällningsmembran, vilket främjar konsten och tekniken för mätning av osmotiskt flöde.
Beskrivning
Osmos är rörelsen av ett lösningsmedel över ett semipermeabelt membran mot en högre koncentration av löst ämne. I biologiska system är lösningsmedlet vanligtvis vatten, men osmos kan förekomma i andra vätskor, superkritiska vätskor och till och med gaser.
När en cell är nedsänkt i vatten passerar vattenmolekylerna genom cellmembranet från ett område med låg koncentration av lösta ämnen till hög koncentration av lösta ämnen. Till exempel, om cellen är nedsänkt i saltvatten, rör sig vattenmolekyler ut ur cellen. Om en cell är nedsänkt i sötvatten, rör sig vattenmolekyler in i cellen.
När membranet har en volym rent vatten på båda sidor, passerar vattenmolekyler in och ut i varje riktning med exakt samma hastighet. Det finns inget nettoflöde av vatten genom membranet.
Osmos kan demonstreras när potatisskivor läggs till en saltlösning. Vattnet inifrån potatisen rör sig ut till lösningen, vilket får potatisen att krympa och tappa sitt "turgortryck". Ju mer koncentrerad saltlösningen, desto större förlust i storlek och vikt av potatisskivan.
Kemiska trädgårdar visar effekten av osmos i oorganisk kemi.
Mekanism
Mekanismen som ansvarar för att driva osmos har vanligtvis representerats i biologi och kemitekster som antingen utspädning av vatten med löst ämne (vilket resulterar i lägre koncentration av vatten på den högre lösta koncentrationssidan av membranet och därför en diffusion av vatten längs en koncentrationsgradient) eller genom att ett löst ämne drar till sig vatten (vilket resulterar i mindre fritt vatten på membranets högre koncentration av lösta ämnen och därmed nettoförflyttning av vatten mot det lösta ämnet). Båda dessa föreställningar har slutgiltigt motbevisats.
Diffusionsmodellen för osmos görs ohållbar av det faktum att osmos kan driva vatten över ett membran mot en högre koncentration av vatten. Modellen "bunden vatten" motbevisas av att osmos är oberoende av de lösta molekylernas storlek - en kolligativ egenskap - eller hur hydrofila de är.
Det är svårt att beskriva osmos utan en mekanisk eller termodynamisk förklaring, men i huvudsak finns det en interaktion mellan löst ämne och vatten som motverkar trycket som annars fria lösta molekyler skulle utöva. Ett faktum att notera är att värme från omgivningen kan omvandlas till mekanisk energi (vatten stiger).
Många termodynamiska förklaringar går in på begreppet kemisk potential och hur vattnets funktion på lösningssidan skiljer sig från rent vatten på grund av det högre trycket och närvaron av det lösta ämnet som motverkar så att den kemiska potentialen förblir oförändrad. Den virialsatsen demonstrerar att attraktionen mellan molekylerna (vatten och löst ämne) reducerar trycket och sålunda trycket som utövas av vattenmolekyler på varandra i lösningen är mindre än i rent vatten, så att rent vatten att "tvinga" lösningen tills trycket når jämvikt.
Roll i levande saker
Osmotiskt tryck är det främsta stödet för stöd i många växter. Den osmotiska inträngningen av vatten höjer turgortrycket som utövas mot cellväggen tills det är lika med det osmotiska trycket, vilket skapar ett stabilt tillstånd .
När en växtcell placeras i en lösning som är hyperton i förhållande till cytoplasman, rör sig vatten ut ur cellen och cellen krymper. Genom att göra det blir cellen slapp . I extrema fall, blir cellen plasmolyzed - de cellmembran lösgörs med cellväggen på grund av brist på vatten tryck på den.
När en växtcell placeras i en lösning som är hypoton i förhållande till cytoplasman, rör sig vatten in i cellen och cellen sväller för att bli turgid .
Osmos är ansvarig för växtrötternas förmåga att dra vatten från jorden. Växter koncentrerar lösta ämnen i sina rotceller genom aktiv transport , och vatten kommer in i rötterna genom osmos. Osmos är också ansvarig för att kontrollera rörelsen av skyddsceller .
I ovanliga miljöer kan osmos vara mycket skadligt för organismer. Till exempel kommer sötvatten och saltvatten akvariefisk placerad i vatten med en annan salthalt än den de är anpassade till att dö snabbt, och för saltvattenfisk, dramatiskt. Ett annat exempel på en skadlig osmotisk effekt är användning av bordsalt för att döda blodiglar och sniglar .
Antag att ett djur eller en växtcell placeras i en lösning av socker eller salt i vatten.
- Om mediet är hypotoniskt i förhållande till cellcytoplasman, kommer cellen att få vatten genom osmos.
- Om mediet är isoton blir det ingen nettorörelse av vatten över cellmembranet.
- Om mediet är hypertoniskt i förhållande till cellcytoplasman förlorar cellen vatten genom osmos.
Detta betyder att om en cell sätts i en lösning som har en lösningskoncentration högre än sin egen, kommer den att krympa, och om den läggs i en lösning med en lägre lösningskoncentration än sin egen, kommer cellen att svälla och kan till och med brista .
Faktorer
Osmotiskt tryck
Osmos kan motsättas genom att öka trycket i området med hög koncentration av lösta ämnen i förhållande till det i området med låg löst koncentration. Den kraft per ytenhet, eller tryck, som erfordras för att förhindra passage av vatten (eller någon annan hög likviditet lösning) genom ett selektivt permeabelt membran och in i en lösning av högre koncentration är ekvivalent med det osmotiska trycket hos lösningen , eller turgor . Osmotiskt tryck är en kolligativ egenskap , vilket innebär att egenskapen beror på koncentrationen av löst ämne, men inte på dess innehåll eller kemiska identitet.
Osmotisk gradient
Den osmotiska gradienten är skillnaden i koncentration mellan två lösningar på vardera sidan av ett semipermeabelt membran och används för att berätta skillnaden i procent av koncentrationen av en specifik partikel löst i en lösning.
Vanligtvis används den osmotiska gradienten vid jämförelse av lösningar som har ett semipermeabelt membran mellan dem så att vatten kan diffundera mellan de två lösningarna, mot den hypertoniska lösningen (lösningen med högre koncentration). Så småningom kommer kraften i vattenkolonnen på den hypertoniska sidan av det semipermeabla membranet att motsvara diffusionskraften på den hypotoniska (sidan med en lägre koncentration), vilket skapar jämvikt. När jämvikt uppnås fortsätter vatten att flöda, men det flyter åt båda hållen i lika stora mängder som kraft, vilket stabiliserar lösningen.
Variation
Omvänd osmos
Omvänd osmos är en separationsprocess som använder tryck för att tvinga ett lösningsmedel genom ett halvgenomsläppligt membran som behåller det lösta ämnet på ena sidan och låter det rena lösningsmedlet passera till den andra sidan, vilket tvingar det från ett område med hög lösningskoncentration genom ett membran till ett område med låg koncentration av lösta ämnen genom att applicera ett tryck som överstiger det osmotiska trycket .
Framåt osmos
Osmos kan användas direkt för att uppnå separering av vatten från en lösning som innehåller oönskade lösta ämnen. En "drag" -lösning med högre osmotiskt tryck än matningslösningen används för att inducera ett nettoflöde av vatten genom ett halvgenomsläppligt membran, så att matningslösningen koncentreras när draglösningen blir utspädd. Den utspädda draglösningen kan sedan användas direkt (som med ett intagbart löst ämne som glukos) eller skickas till en sekundär separationsprocess för avlägsnande av draglösningen. Denna sekundära separation kan vara mer effektiv än en omvänd osmosprocess skulle vara ensam, beroende på vilket draglösning som används och det behandlade matvattnet. Framåt osmos är ett område för pågående forskning, med fokus på applikationer inom avsaltning , vattenrening , vattenbehandling , livsmedelsbearbetning och andra studier.