Существуют пористые перегородки, с помощью которых можно отделить коллоиды от кристаллоидов. Их используют при методе исследования, который известен под названием диализ. К перегородкам такого типа относятся клеточная целлюлозная оболочка и протопласт. Медленная диффузия растворителя и веществ через полупроницаемые перегородки (мембраны) называется осмосом. Осмос и осмотическое давление играют большую роль в биологических явлениях. Так, постоянный осмос воды внутри клетки создает в растении повышенное гидростатическое давление, которое обусловливает прочность и упругость, тканей. Уравновешенное осмотическое давление клеточного сока составляет 405-2026 кПа.
Учение об осмосе разрабатывалось более 100 лет ботаниками, стремившимися найти физические основы водообмена клетки (А. Дютроше, В. Пфеффер, Ю. Мейер, К. Андерсон и др.), физиками и химиками в связи с исследованиями свойств растворов (Я. Вант-Гофф, В. Оствальд, И. А. Каблуков и др.). Были выдвинуты различные представления о механизме осмоса и осмотического давления. Термину «осмотическое давление» разные авторы придавали различный смысл.
Так, Дютроше осмотическим давлением называл дополнительное гидростатическое давление, которое создается в осмометре (животный пузырь, наполненный раствором сахара или какой-нибудь соли) вследствие осмоса. Вант-Гофф и Оствальд осмотическим считали то давление, которое создавалось бы внутри раствора от ударов молекул или ионов растворенного вещества о полупроницаемую перегородку. Однако такие объяснения осмоса рассматриваются в настоящее время как ошибочные, поскольку представление об осмотическом давлении базировалось на аналогии с законами давления газов. Действительно, газы давят на стенки сосудов, в которых находятся. Однако осмотическое давление растворов можно обнаружить лишь в том случае, когда они содержатся в сосуде с полупроницаемой перегородкой, причем с другой стороны перегородки обязательно должен быть растворитель. Налитый в сосуд или в осмометр раствор (даже самый концентрированный), но не погруженный в воду не оказывает осмотического давления на его стенки. Оно проявляется только тогда, когда раствор и растворитель разделены полупроницаемой перегородкой. Таким образом, осмотическое давление без полупроницаемой перегородки не возникает и имеется в растворах как бы в потенциальном состоянии, поэтому оно называется осмотическим потенциалом.
В последние годы ботаники, физиологи, физики, химики предложили новую теорию, согласно которой осмотическое давление рассматривается как диффузионное давление частиц растворителя, направленное из чистого растворителя в сторону раствора, отделенного полупроницаемой перегородкой. Установлено, что если имеется полупроницаемая перегородка, то молекулы растворителя передвигаются интенсивнее из раствора меньшей концентрации в направлении раствора большей концентрации. Неодинаковая интенсивность движения частиц зависит от их различной активности. Активность частиц растворителя (воды), т. е. кинетическая энергия его молекул, зависит от концентрации раствора: чем она ниже, тем выше активность молекул раствора, и наоборот — количество активных молекул растворителя в более концентрированных растворах меньше.
Таким образом, концентрация молекул воды со стороны чистого растворителя составляет 100%, а со стороны раствора она меньше. В этом случае при передвижении молекул воды из растворителя в сторону раствора давление будет повышаться, и в конце концов установится состояние подвижного равновесия по обе стороны системы. Это произойдет вследствие того, что низкое диффузионное давление в растворе компенсируется гидростатическим давлением.
Ниже приведена схема движения растворителя (воды) в сосуде с полупроницаемой мембраной (стрелками обозначены молекулы растворителя: длинными более активные, короткими менее активные молекулы):
Чтобы активность движения молекул растворителя была одинаковой в обеих частях системы (в этом случае верхняя часть системы), надо к раствору приложить определенное давление. Следовательно, давление, которое превышает активность молекул растворителя (воды) и выравнивает скорость их движения в обоих направлениях, называется осмотическим потенциалом, или осмотическим давлением.
Итак, осмотическое давление рассматривается как свойство системы, которая состоит из растворителя и раствора с полупроницаемой перегородкой между ними. Осмотическое давление такой системы — термодинамический параметр. Это сила диффузионного давления, которая обусловливает переход растворителя через единицу площади полупроницаемой перегородки в раствор, находящийся при том же внешнем давлении, что и растворитель.
Осмотическое давление обусловлено понижением химического потенциала растворителя в присутствии растворенного вещества. В системе происходит выравнивание химического потенциала и переход в состояние с более низким уровнем свободной энергии, что вызывает осмотический (диффузионный) перенос вещества.
На основе такого представления предложено уравнение осмотического давления: $$\large P = \frac{RTIn\frac{P_0}{P^1}}{\upsilon_1},$$
где Р — осмотическое давление, Па; R — коэффициент пропорциональности, равный газовой константе 0,0821; Т — абсолютная температура; Р0 — давление насыщенного пара над чистым растворителем; P1 — давление насыщенного пара над раствором данной концентрации; In — знак натурального логарифма; ʊ1 — объем 1 моля растворителя в данном растворе.
Это уравнение выведено термодинамическим путем с учетом представлений о решающем значении в осмотических процессах активности частиц воды, их молекулярно-кинетической энергии. В растворах молекулы воды по своей природе являются диполями и связаны с частицами растворенного вещества. Следовательно, их активность уменьшается пропорционально концентрации раствора.
Вант-Гофф на основании физиологических исследований Пфеффера в 80-х годах XIX в. с использованием тычинок различных растений семейства Asteraceae вывел некоторые закономерности кинетических свойств растворов. Он применил для высчитанного Пфеффером давления в клетках тычинок в качестве коэффициента пропорциональности газовую константу R=8,207×10-2 л×атм./моль×К получил удовлетворительные результаты. Это было поводом для проведения аналогии между газообразным и жидким состоянием вещества.
Установленные Вант-Гоффом математические законы осмотического давления для очень разбавленных (идеальных) растворов в действительности аналогичны законам давления газов. К таким растворам (0,1; 0,2; 0,3 моля) можно применить уравнение, предложенное Вант-Гоффом: $$\small P = CRT_i$$
где Р — осмотическое давление, Па; С — концентрация раствора, моли на 1 л; R — газовая константа; Т — температура от абсолютного нуля, °С; і — изотонический коэффициент; i=1+a(n-1), где a — степень электролитической диссоциации, n — число ионов, на которое распадается каждая молекула электролита.
Можно использовать формулу $$\large P = \frac{RTi}{\upsilon},$$
где R — газовая константа; Т — температура; ʊ — объем (величина, обратная концентрации: ʊ=1/C); і — изотонический коэффициент (i=1, когда в 1 л раствора содержится 1 моль какого-либо вещества неэлектролита, в этом случае при 0°С и атмосферном давлении 760 мм развивается давление 2269 кПа; 1 атм=1013 гПа).
Растительная клетка представляет собой осмотическую систему, в которой протопласт играет роль полупроницаемой оболочки, а осмотически деятельным раствором является клеточный сок. Если внешний раствор более концентрированный, чем раствор внутри клетки, вода будет выходить из нее. При рассмотрении таких клеток под микроскопом можно наблюдать отставание цитоплазмы от оболочки клетки. Это явление известно под названием плазмолиза.
По степени концентрации различают растворы изотопический, гипотонический и гипертонический. Раствор, имеющий осмотическое давление, равное осмотическому давлению клеточного сока, называется изотоническим, раствор с большим осмотическим давлением — гипертоническим, с меньшим — гипотоническим.
При действии на растительную клетку гипертоническим раствором плазмолитика происходит плазмолиз. В зависимости от степени вязкости протопласта наблюдаются различные формы плазмолиза: при менее плотной цитоплазме форма плазмолиза выпуклая, при более плотной, вязкой — вогнутая, при еще более плотной — судорожная. Следовательно, форма плазмолиза может быть одним из показателей вязкости цитоплазмы растительной клетки (рис. 11).
Рис. 11.Формы пазмолиза
1 — последовательные этапы плазмолиза в клетаках листа мха; 2 — выпуклая форма плазмолиза (колпачковый плазмолиз) в клетке эпидермиса чешуи лука с окрашенной антоцианом вакуолью: а — ядро, б — цитоплазма, в — вакуоль (по Д. А. Сабинину)
Для определения осмотического давления клеточного сока методом плазмолиза в стеклянные чашечки или бюксы одинаковой формы наливают раствор плазмолитика определенной концентрации. Растворы располагают или по уменьшающейся, или по возрастающей концентрации. В них погружают срезы растительных тканей, которые затем через определенные промежутки времени рассматривают под микроскопом.
Отыскивают раствор, т. е. такой, концентрация которого соответствовала бы раствору клеточного сока (в нем нет ни эндоосмоса, ни экзоосмоса). В одномолярном растворе наблюдается явно выраженный плазмолиз, т. е. отставание цитоплазмы от клеточной оболочки, что указывает на гипертонический раствор. В растворах концентрацией 0,6-0,4 моля отставание цитоплазмы наблюдается лишь по углам клетки. Это и есть приблизительно изотонический раствор. Зная давление клеточного сока.
Для определения осмотического давления клеточного сока криоскопическим методом применяют специальные приборы с термометром Бекмана, Учитывая, что молярный раствор любого вещества неэлектролита снижает точку замерзания на 1,86°С, можно рассчитать осмотическое давление в паскалях. Для этого следует умножить показатель точки замерзания сока на постоянный коэффициент — 22,4. Указанный метод часто применяют для определения осмотического давления сока в растительных тканях.