|
В мире живых организмов диффузия проявляется в
двух формах - диализе и осмосе. Диализом называется диффузия молекул
растворенного вещества, а осмосом - диффузия растворителя через полупроницаемую
мембрану.
Основную роль для диффузионных
процессов в живых организмах играют мембраны, находящиеся на поверхности
клеток, клеточных ядер и вакуолей и обладающие избирательной проницаемостью.
Прохождение вещества через мембрану зависит от размеров и некоторых других
физических свойств молекул растворителя, а также от свойств самой мембраны.
Если мешочек из пергамента
заполнить раствором сахара или соли и поместить в сосуд с водой, то молекулы
растворённого вещества будут диффундировать через стенки мешочка, пока их
концентрация в мешочке и в сосуде с водой не станет одинаковой. В этом случае
мы можем говорить, что поры мембраны достаточно велики для прохождения через
них молекул растворенного вещества. Этот метод – диализ – часто применяют для
получения чистых препаратов белков и других соединений. Если взять мешочек с
более мелкими порами, пропускающими только молекулы растворителя, (например,
воды), но не пропускающими молекул сахара, то молекулы воды будут
диффундировать в мешочек, увеличивая объём раствора в нем. Если мешочек
соединить со стеклянной трубкой, то раствор начнёт подниматься по трубке до тех
пор, пока давление, производимое водой в трубке, не уровняет осмотическое
давление раствора сахара. Более концентрированный раствор имеет более высокое
осмотическое давление.
Впервые осмос
наблюдал А. Нолле в 1748, однако исследование этого явления
было начато спустя столетие.
Осмос через полупроницаемую мембрану.
Частицы растворителя (синие) способны пересекать мембрану, частицы растворённого
вещества (красные) — нет.
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).
Если такая мембрана разделяет раствор и чистый растворитель, то концентрация
растворителя в растворе оказывается менее высокой, поскольку там часть его
молекул замещена на молекулы растворенного вещества.
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 уменьшаться), тогда, как
объём растворителя будет соответственно уменьшаться.
Например, к яичной скорлупе с
внутренней стороны прилегает полупроницаемая мембрана: она пропускает молекулы
воды и задерживает молекулы сахара. Если такой мембраной разделить растворы
сахара с концентрацией 5 и 10% соответственно, то через нее в обоих
направлениях будут проходить только молекулы воды. В результате в более
разбавленном растворе концентрация сахара повысится, а в более
концентрированном, наоборот, понизится. Когда концентрация сахара в обоих
растворах станет одинаковой, наступит равновесие. Растворы, достигшие
равновесия, называются изотоническими.
Осмос, направленный внутрь
ограниченного объёма жидкости, называется эндосмосом, наружу - экзосмосом.
Перенос растворителя через мембрану обусловлен осмотическим давлением. Оно
равно избыточному внешнему давлению, которое следует приложить со стороны
раствора, чтобы прекратить процесс, то есть создать условия осмотического
равновесия. Превышение избыточного давления над осмотическим может привести к
обращению осмоса - обратной диффузии растворителя.
В случаях, когда мембрана
проницаема не только для растворителя, но и для некоторых растворённых веществ,
перенос последних из раствора в растворитель позволяет осуществить диализ,
применяемый как способ очистки полимеров и коллоидных систем от
низкомолекулярных примесей, например электролитов.
Существует и обратный осмос. Технология
обратного осмоса базируется на процессе диффузии, который непрерывно происходит
в клетках живых организмов и называется осмосом (молекулы воды поступают внутрь
клетки, окруженной полупроницаемой мембраной через поры мембраны из раствора с
меньшей концентрацией солей в раствор с большей концентрацией). Если со стороны
раствора с большей концентрацией солей создать определенное давление, то
происходит обратный процесс (обратный осмос): молекулы воды начинают проникать
через поры мембраны из раствора с большей концентрацией солей в раствор с
меньшей концентрацией.
| 
