Осмотичний тиск — це фізична величина, яка характеризує силу, з якою розчинник (зазвичай вода) переміщується через напівпроникну мембрану з області з нижчою концентрацією розчинених речовин до області з вищою концентрацією. Цей процес, відомий як осмос, є ключовим для багатьох біологічних і фізіологічних процесів, наприклад, регуляції водного балансу в клітинах і тканинах. Ось докладний опис осмотичного тиску, його природи, механізмів, формул і значення.
Що таке осмотичний тиск?
Осмотичний тиск — це тиск, який необхідно прикласти до розчину, щоб зупинити рух розчинника через напівпроникну мембрану внаслідок осмосу. Напівпроникна мембрана пропускає розчинник (наприклад, воду), але утримує розчинені речовини (іони, молекули). Осмос виникає через прагнення системи вирівняти концентрацію розчинених частинок по обидва боки мембрани.
- Приклад: якщо помістити клітину в дистильовану воду, вода буде проникати всередину клітини (де концентрація розчинених речовин вища), поки мембрана не розтягнеться або не лопне (осмотичний лізис).
Фізична основа
Осмотичний тиск пов’язаний із рухом молекул розчинника через різницю в хімічному потенціалі води по обидва боки мембрани. Цей рух обумовлений:
- Концентрацією розчинених частинок: чим більше розчинених речовин (солей, цукрів, білків), тим нижчий хімічний потенціал води в розчині, і тим сильніше вода “тягнеться” до цієї області.
- Ентропією: система прагне до максимальної однорідності, що й змушує розчинник рухатися.
Формула осмотичного тиску
Осмотичний тиск (π) для ідеальних розчинів розраховується за законом Вант-Гоффа:
$ \text{π} = \text{i} \times \text{C} \times \text{R} \times \text{T} $
де:
- π — осмотичний тиск (Па або атм);
- i — коефіцієнт Вант-Гоффа (кількість частинок, на які дисоціює розчинена речовина; наприклад, для NaCl i = 2, для глюкози i = 1);
- C — молярна концентрація розчиненої речовини (моль/л);
- R — універсальна газова стала (8,314 Дж/(моль·К) або 0,0821 л·атм/(моль·К));
- T — абсолютна температура (К, зазвичай 298 К ≈ 25°C).
Приклад:
- Розчин NaCl із концентрацією 0,15 моль/л (фізіологічний розчин) при 37°C (310 К):
( i = 2 ) (Na⁺ + Cl⁻), ( C = 0,15 ), ( R = 0,0821 ), ( T = 310 ).
( π = 2 × 0,15 × 0,0821 × 310 ≈ 7,63 атм ).
Для неідеальних розчинів (з високою концентрацією чи взаємодією частинок) застосовуються складніші моделі.
Види осмотичного тиску
- Колігативний осмотичний тиск: залежить лише від кількості розчинених частинок, а не від їхньої природи (наприклад, NaCl і глюкоза з однаковою молярною концентрацією матимуть різний тиск через дисоціацію NaCl).
- Онкотичний тиск: частина осмотичного тиску, спричинена великими молекулами (білками, наприклад, альбумінами), які не проходять через капілярні стінки. Важливий у кровоносній системі.
Механізм дії в біології
1. У клітинах:
- Клітинні мембрани є напівпроникними, тому осмотичний тиск визначає рух води всередину чи назовні клітини.
- Ізотонічний розчин: концентрація зовні дорівнює внутрішній (π однаковий), вода не рухається (наприклад, 0,9% NaCl для еритроцитів).
- Гіпотонічний розчин: нижча концентрація зовні, вода входить у клітину (може викликати набухання або лізис).
- Гіпертоничний розчин: вища концентрація зовні, вода виходить із клітини (клітина зморщується — плазмоліз).
2. У кровоносній системі:
- Осмотичний тиск плазми (~7–8 атм) підтримує об’єм рідини в судинах.
- Онкотичний тиск (~25–30 мм рт. ст.) утримує воду в капілярах, протидіючи гідростатичному тиску.
3. У нирках:
- Осмотичний тиск регулює реабсорбцію води в канальцях нефронів під впливом антидіуретичного гормону (АДГ).
Фактори, що впливають на осмотичний тиск
- Концентрація розчинених речовин: прямо пропорційна (чим вища, тим більший тиск).
- Температура: зі зростанням температури тиск збільшується (закон Вант-Гоффа).
- Дисоціація: електроліти (NaCl, KCl) створюють більший тиск, ніж неелектроліти (глюкоза), через більше число частинок.
- Розмір молекул: малі молекули (іони, цукри) впливають сильніше, ніж великі (білки), у колігативному аспекті.
Вимірювання
- Осмометрія: прилад (осмометр) вимірює тиск, необхідний для зупинки осмосу.
- Кріоскопія/ебулліоскопія: побічно через точку замерзання чи кипіння розчину.
Значення в організмі
1. Регуляція водного балансу:
- Осмотичний тиск у позаклітинній рідині (~300 мОсм/л у людини) підтримує стабільність об’єму клітин.
2. Транспорт речовин:
- У капілярах баланс між гідростатичним і онкотичним тиском визначає обмін рідини між кров’ю та тканинами (закон Старлінга).
3. Гомеостаз:
- Нирки використовують осмос для концентрування сечі й виведення надлишку солей.
Патології
- Набряки: зниження онкотичного тиску (гіпоальбумінемія при хворобах печінки чи нирок) призводить до витоку рідини в тканини.
- Зневоднення: підвищення осмотичного тиску плазми (гіпернатріємія) змушує воду виходити з клітин.
- Гіпонатріємія: знижений осмотичний тиск у плазмі може викликати набряк мозку.
Цікаві факти
- У рослин осмос забезпечує тургор (пружність клітин), що підтримує стебла й листя.
- Зворотний осмос (застосування зовнішнього тиску для руху води проти градієнта) використовується для очищення води в побуті й промисловості.
- Осмотичний тиск плазми людини (~7,6 атм) еквівалентний тиску стовпа води висотою 7,8 м!
Осмотичний тиск — це фундаментальний принцип, що лежить в основі багатьох процесів у природі й медицині.