Осмос
Осмос — самовільний перенос розчинника через напівпроникну мембрану внаслідок різниці його хімічного потенціалу по обидва боки. У простій картині розчинник переходить у бік більш концентрованого розчину, доки різниця тиску або інших умов не урівноважить термодинамічну рушійну силу.
Напівпроникна мембрана
Мембрана повинна пропускати розчинник значно краще, ніж певні розчинені частинки. Якщо і розчинник, і солют проходять вільно, стійка осмотична різниця може зникнути. Реальні мембрани мають селективність, проникність і кінцеву швидкість транспорту.
Хімічний потенціал
Додавання нелеткого солюту знижує хімічний потенціал розчинника. Розчинник прагне перейти з боку з вищим μ до нижчого, але зростання гідростатичного тиску на концентрованому боці підвищує його μ і може зупинити чистий потік.
Осмотичний тиск
Для ідеального розбавленого розчину π≈iCRT. Формула схожа на рівняння ідеального газу, але описує тиск, потрібний для припинення осмосу. Фактор i враховує ефективну кількість частинок після дисоціації.
Тонічність клітин
У гіпотонічному середовищі вода може входити в клітину; у гіпертонічному — виходити. Але біологічна тонічність залежить від непроникних або повільно проникних солютів, а не просто від сумарної молярності всіх речовин.
Зворотний осмос
Якщо прикласти зовнішній тиск, більший за осмотичний, можна змусити розчинник рухатися у протилежному напрямку. Це основа опріснення води. Реальна установка витрачає енергію на тиск і має проблеми забруднення мембран та концентраційної поляризації.
Не “вода хоче розбавити”
Фраза про прагнення “вирівняти концентрації” іноді корисна, але може вводити в оману. Рушійна сила — різниця хімічних потенціалів і баланс вільної енергії. Осмос може існувати навіть у складних системах, де проста концентраційна інтуїція недостатня.
Колігативний характер
У розбавленому ідеальному режимі осмотичний тиск залежить переважно від числа частинок солюту. Саме тому він використовується для оцінки молярних мас макромолекул. За високих концентрацій потрібні активності та неідеальні коефіцієнти.
Аквапорини і кінетика
У клітинах швидкість осмотичної відповіді часто визначається мембранними водними каналами — аквапоринами. Вони не змінюють напрям рівноважної термодинамічної рушійної сили, але різко змінюють проникність і час встановлення рівноваги. Тому треба розрізняти питання “куди спрямований чистий потік” і “наскільки швидко він відбувається”.
Вправа
Чому прикладання достатньо великого тиску до концентрованого розчину може зупинити осмос?
Розв’язання
Тиск підвищує хімічний потенціал розчинника на концентрованому боці. Коли тисковий внесок точно компенсує різницю, пов’язану зі складом, чистий потік розчинника зникає; цей тиск і є осмотичним.