Осмотическое и онкотическое давление. Изотонический коэффициент. Гипо-, гипер- и изотонические растворы

            Карагандинский государственный медицинский университет

Кафедра химии   

 

                                      

                                   СРС  

Тема:  Осмотическое и  онкотическое давление. Изотонический коэффициент. Гипо-, гипер- и изотонические растворы.

                                            Выполнила: Сапаева С. Г. 153 ОМ

                                                             Проверила: Жунусова М. А. 

 

 

 

                                         

 

 

                                                     Караганда 2012

 

Понятие осмоса, его  роль и значение.

Для того чтобы дать определения  осмотического и онкотического давления, сначала нужно понять что же такое осмос. Осмос (греч. osmos толчок, проталкивание, давление) — самопроизвольный переход вещества, обычно растворителя, через полупроницаемую мембрану, отделяющую раствор от чистого растворителя или от раствора меньшей концентрации. Впервые осмос наблюдал Жан-Антуа Нолле в 1748, однако исследование этого явления было начато спустя столетие.

Осмос обусловлен стремлением  системы к термодинамическому равновесию и выравниванию концентраций растворов  по обе стороны мембраны путем  односторонней диффузии молекул  растворителя. 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 эндоосмосом, наружу — экзоосмосом. 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.

Осмотическое  давление.

Осмотическое давление (обозначается р) — 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.

Раствор, имеющий более  высокое осмотическое давление по сравнению  с другим раствором, называется гипертоническим, имеющий более низкое — гипотоническим.

Осмотическое давление может  быть весьма значительным. В дереве, например, под действием осмотического  давления растительный сок (вода с растворёнными  в ней минеральными веществами) поднимается  по ксилеме от корней до самой верхушки. Одни только капиллярные явления  не способны создать достаточную  подъёмную силу — например, секвойям требуется доставлять раствор на высоту даже до 100 метров. При этом в  дереве движение концентрированного раствора, каким является растительный сок, ничем  не ограничено.

Взаимодействие эритроцитов  с растворами в зависимости от их осмотического давления. Если же подобный раствор находится в замкнутом пространстве, например, в клетке крови, то осмотическое давление может привести к разрыву клеточной мембраны. Именно по этой причине лекарства, предназначенные для введения в кровь, растворяют в изотоническом растворе, содержащем столько хлорида натрия (поваренной соли), сколько нужно, чтобы уравновесить создаваемое клеточной жидкостью осмотическое давление. Если бы вводимые лекарственные препараты были изготовлены на воде или очень сильно разбавленном (гипотоническом по отношению к цитоплазме) растворе, осмотическое давление, заставляя воду проникать в клетки крови, приводило бы к их разрыву. Если же ввести в кровь слишком концентрированный раствор хлорида натрия (3-5-10 %, гипертонические растворы), то вода из клеток будет выходить наружу, и они сожмутся. В случае растительных клеток происходит отрыв протопласта от клеточной оболочки, что называется плазмолизом. Обратный же процесс, происходящий при помещении сжавшихся клеток в более разбавленный раствор, — соответственно, деплазмолизом.

 

Величина осмотического  давления, создаваемая раствором, зависит  от количества, а не от химической природы  растворенных в нём веществ (или  ионов, если молекулы вещества диссоциируют), следовательно, осмотическое давление является коллигативным свойством раствора. Чем больше концентрация вещества в растворе, тем больше создаваемое им осмотическое давление. Это правило, носящее название закона осмотического давления, выражается простой формулой, очень похожей на некий закон идеального газа:

      p= i C R T

где i — изотонический коэффициент раствора; C — молярная концентрация раствора, выраженная через комбинацию основных единиц СИ, то есть, в моль/м3, а не в привычных моль/л; R — универсальная газовая постоянная; T — термодинамическая температура раствора.

Это показывает также схожесть свойств частиц растворённого вещества в вязкой среде растворителя с  частицами идеального газа в воздухе. Правомерность этой точки зрения подтверждают опыты Ж. Б. Перрена (1906): распределение частичек эмульсии смолы гуммигута в толще воды в общем подчинялось закону Больцмана.

Закон осмотического давления можно использовать для расчёта  молекулярной массы данного вещества (при известных дополнительных данных).

Осмотическое давление измеряют специальным прибором- осмометром. Осмометр - (осмо- + греч. metreo измерять) прибор для измерения осмотического давления или концентрации осмотически активных веществ; применяется при биофизических и биохимических исследованиях. Рассмотрим несколько видов осмометра:

1. Осмометры давления пара:

Этот тип приборов отличается тем, что для измерения требуется  минимальный объем пробы (единицы  микролитров), что имеет большое значение, когда из объекта исследования нельзя взять больший объем. Однако по причине малости объема пробы осмометры давления пара имеют большую погрешность по сравнению с другими. Кроме того, результат измерения зависит от изменения атмосферного давления. Основное применение эти приборы нашли в научных исследованиях и педиатрической практике для исследований крови новорожденных, взятой из пальчика или пяточки. Диапазон измеряемых концентраций ограничивается 2000 ммоль/кг Н2О.

2. Мембранные осмометры:

На свойстве осмоса строятся осмометры, называемые мембранными. В  их конструкции могут использоваться как искусственные мембраны (например, целлофан), так и природные (например, кожа лягушки).Приборы этого типа используются для измерения так называемого коллоидно-осмотического давления крови (КОД), которое создается высокомолекулярной (более 30000 Д) составляющей общей концентрации осмотически активных частиц, содержащихся в плазме крови. Это давление называется также онкотическим и создается преимущественно белками. КОД составляет менее 3 ммоль/кг Н2О и поэтому незначительно влияет на общее осмотическое давление, но имеет определяющее значение для процессов транскапиллярного обмена. Эта составляющая общего давления имеет важное диагностическое значение. Мембранные осмометры производят фирмы Dr. Knauer , Gonotec , Германия (Osmomat 050), в США - фирма Wescor. Интересно, что фирма доктора Кнауэра предлагает всю линейку осмометров, перекрывая, таким образом, весь диапазон частиц с молекулярной массой, включая миллионные.

3. Осмометры по точке замерзания (криоскопические):

Осмометры, принцип действия которых основан на измерении  понижения (депрессии) температуры  замерзания раствора в сравнении  с температурой замерзания растворителя (в нашем случае воды), нашли наибольшее распространение по причине наилучшей  пригодности этой методики для лабораторной клинической диагностики нарушений  водного и электролитного баланса (молекулярные массы частиц биологических  жидкостей не превышают 30000 Д).

Высокое осмотическое давление по обе стороны клеточной мембраны может возникать при относительно небольших изменениях концентрации растворенных веществ во внеклеточной жидкости. На каждый миллиосмоль разности концентраций непроникающих веществ (для которых мембрана непроницаема) приходится, как изложено ранее, осмотическое давление 19,3 мм рт. ст.

Если клеточная мембрана покрыта водой и осмолярность внутри клетки составляет 282 мосм/л, то предполагаемое значение осмотического давления может быть более 5400 мм рт. ст. Данный пример иллюстрирует степень величины сил, способных перемещать воду через мембрану, если между внутри- и внеклеточной жидкостями не установлено осмотическое равновесие.

В результате действия этих сил относительно небольшие изменения концентрации веществ, не проникающих в клетку, способны существенно менять объем клеток.  

 

 Биологическая роль осмоса и осмотического давления

Осмос играет важную роль во многих биологических процессах. Мембрана, окружающая нормальную клетку крови, проницаема лишь для молекул воды, кислорода, некоторых из растворенных в крови  питательных веществ и продуктов  клеточной жизнедеятельности; для  больших белковых молекул, находящихся в растворенном 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.

Осмотическая  электростанция

24 ноября 2009 г. государственная  энергетическая компания Statkraft (Норвегия) представила первый в мире солевой генератор, который вырабатывает энергию за счет смешивания морской и пресной воды. Прототип осмотической электростанции будет испытываться на старой бумажной фабрике в 60 км к югу от столицы Норвегии Осло. Стоимость проекта составляет 20 млн долл., мощность электростанции – 5 кВт. Предположительно, первая коммерческая осмотическая электростанция появится уже через несколько лет.

Принцип действия соляной  электростанции основан на явлении, известном как осмос: молекулы воды переходят из отсека с пресной водой в отсек с морской водой, стремясь выровнить концентрацию соли по обе стороны полупроницаемой мембраны; при этом увеличивается объем воды в отсеке с морской водой и создается избыточное давление, которое заставляет генератор вырабатывать электричество.

             

Онкотическое давление плазмы крови. Значение данной константы для водно-солевого обмена между кровью и тканями.

Осмотическое давление, которое  зависит от содержания в растворе белков, называется онкотическим (0,03 — 0,04 атм.). При длительном голодании, болезни почек концентрация белков в крови уменьшается, онкотическое давление в крови снижается и возникают онкотические отёки: вода переходит из сосудов в ткани, где рОНК больше. При гнойных процессах рОНК в очаге воспаления возрастает в 2-3 раза, так как увеличивается число частиц из-за разрушения белков. В организме осмотическое давление должно быть постоянным ( 7,7 атм.). Поэтому пациентам вводят изотонические растворы (растворы, осмотическое давление которых равно р плазмы 7,7 атм. - 0,9 % NaCl — физиологический раствор, 5 % раствор глюкозы). Гипертонические растворы, у которых р больше, чем осмотическое давление плазмы, применяются в медицине для очистки ран от гноя (10 % NaCl), для удаления аллергических отёков (10 % CaCl2, 20 % глюкоза), в качестве слабительных лекарств (Na2SO4•10H2O, MgSO4•7H2O).

Онкотическое давление плазмы крови зависит в основном от концентрации белков, их размеров и гидрофильности (способности удерживать воду). Осмотическое давление водных растворов обусловлено солями. Онкотическое давление (ОнД) имеет большое значение в распределении воды и растворенных в ней веществ между кровью и тканями. ОнД крови составляет в среднем 7,5-8,0 атмосфер.

Осмотическое давление крови, лимфы и тканевой жидкости в норме  поддерживается на постоянном уровне, хотя оно может незначительно  изменяться, например при обильном поступлений в кровь воды или солей, но на непродолжительное время. Давление быстро выравнивается благодаря деятельности выделительных органов (почки, потовые железы), удаляющих избыток воды или солей.