Природничі науки. 2 частина. 11 клас. Гільберг

Осмос

Осмос (від грец. οσμος — поштовх, тиск) — самодовільний процес проникнення крізь напівпроникну мембрану розчинника з розчину нижчої концентрації в розчин з вищою концентрацією (мал. 7.22).

Мал. 7.22. Осмос

Поясніть, що позначено на малюнку цифрами 1-4.

Уперше явище осмосу спостерігав 1748 р. абат Жан-Антуан Нолле (1700-1770, Франція). Він наповнив посудину винним спиртом (етанолом), закрив її щільно мембраною зі шматка сечового міхура свині й занурив у чан з водою. Вода проходила всередину посудини зі спиртом і створювала в ньому такий тиск, що міхур роздувався й лопався. Нолл не пройшов повз цей дивний факт і пояснив його так: «Тваринний міхур проникніший для води порівняно зі спиртом; тому швидкість проходження води крізь мембрану більша за швидкість проходження крізь неї спирту».

Осмосом зумовлені зовнішні ефекти цікавого досліду з вирощування «хімічного підводного саду». Помістимо у водний розчин натрій силікату1 кристалики купрум(II) сульфату пентагідрату, ферум(II) сульфату гептагідрату, нікель(II) сульфату гептагідрату тощо. Навколо кожного кристалика утвориться концентрований розчин відповідної солі, а на поверхні його стикання з розчином натрій силікату — шар малорозчинного силікату — продукту реакції йонного обміну між натрій силікатом і певною сіллю (складіть рівняння цих реакцій у скороченій йонній формі). Він виконуватиме функцію напівпроникної мембрани. Унаслідок осмосу вода проникатиме крізь неї й, увійшовши в простір, обмежений напівпроникним шаром, збільшуватиме тиск. Унаслідок цього шар лопатиметься, концентрований розчин виливатиметься назовні, утворюватиметься новий шар нерозчинного силікату, який теж через деякий час лопатиметься і так далі. Тому «хімічний сад» (мал. 7.23) безперервно змінюватиметься й ростиме.

Мал. 7.23. «Ніколи не забуду того видовища. Посудина, у якій вони кристалізувалися, була на три чверті наповнена слизькуватою рідиною, а саме — розчинним склом, і на дні її буяла химерна грядочка різнобарвних наростів, сплутана купа синього, зеленого та брунатного пагіння, що нагадувало водорості, гриби, непорушні поліпи, а також мох мушлі, зав’язь овочів, деревця або гілочки, а подекуди просто людські руки й ноги, — більшого дива я в житті не бачив»2.

У клітин організмів оболонка має властивості напівпроникної мембрани. Якщо помістити клітини в дистильовану воду, відбувається набрякання, а потім розрив оболонок (мал. 7.24).

1 Складник силікатного клею.

2 Томас Манн (1875-1955, Німеччина, Швейцарія), «Доктор Фауст».

Мал. 7.24: а — еритроцит у дистильованій воді; б — еритроцит у розчині з концентрацією натрій хлориду... у клітинній рідині еритроцита; в — еритроцит у розчині з концентрацією натрій хлориду... у клітинній рідині еритроцита

Доповніть підпис до малюнка 7.24, використавши словосполучення: «більша, ніж в», «така сама, як у».

Осмотичний тиск — головна сила, що забезпечує рух води в рослинах і її підйом від коренів до вершини. Клітини листя, утративши воду, осмотично всмоктують її з клітин стебла, а ті — з клітин кореня, які вбирають воду з ґрунту. Для росту й розвитку рослинних організмів має велике значення співвідношення між осмотичними тисками ґрунтового розчину й клітинного соку.

Поміркуйте й поясніть: а) як мають співвідноситися осмотичний тиск клітинного соку та осмотичний тиск ґрунтового розчину, щоби рослина могла нормально розвиватися; б) чому в рослин у пустелях осмотичний тиск сягає 170 атм, тоді як зазвичай у тканинах рослин він становить 5-20 атмосфер.

Дія осмотичного тиску зумовлює також набухання насіння рослин, явище «пробивання» пагонами ґрунту й перешкод, що трапляються на їхньому шляху (мал. 7.25).

Мал. 7.25. «Росте Антонич і росте трава...»1

1 Антонич Богдан-Ігор Васильович (1909-1937, Україна)

Високоорганізовані тварини й людина вирізняються сталим осмотичним тиском крові. Шок унаслідок сильної кровотечі зумовлений не стільки втратою крові, скільки різким падінням осмотичного тиску й колапсом судин. Тому потерпілим, які втратили багато крові, уводять інертні високомолекулярні замінники плазми крові, завдяки чому відновлюють осмотичний тиск і усувають шок.

Зниження осмотичного тиску внаслідок уведення великих кількостей води або в результаті втрати солей викликає блювоту, судоми тощо аж до загибелі. Підвищення осмотичного тиску введенням великих кількостей солей призводить до перерозподілу води. Вона накопичується в тих тканинах, де є надлишок солей, — виникають набряки. Набряки утворюються й унаслідок запальних процесів: відбувається розпад білків, тому збільшується кількість структурних частинок у вогнищі запалення та значно підвищується осмотичний тиск у ньому.

Явищем осмосу пояснюють проносну дію глауберової Na2SO4 • 10Н2О та гіркої MgSO4 • 7Н2О солей. Ці солі погано всмоктуються в кров і тому їхня висока концентрація в кишечнику спричинює інтенсивний перехід води всередину нього з навколишніх тканин, а тому сприяє послаблювальній дії.

Більшість бактеріальних клітин мають високий осмотичний тиск. Унаслідок дії антибіотиків (наприклад, пеніциліну) їхні оболонки втрачають міцність і під дією внутрішнього осмотичного тиску легко руйнуються. Тож розуміння осмотичних процесів і контроль за ними, а також уміння впливати на їхній перебіг украй важливе в біології та медицині.

Твердість води — це сукупність її властивостей, зумовлених катіонами металічних елементів, що містяться в ній. Усі двовалентні катіони тією чи тією мірою впливають на твердість води, оскільки вони взаємодіють з певними аніонами, унаслідок чого утворюються нерозчинні або малорозчинні сполуки, що випадають в осад. Формули найважливіших1 йонів, що зумовлюють твердість води, наведено в таблиці 7.1.

Таблиця 7.1. Найважливіші йони, які зумовлюють твердість води

Катіони

Аніони

Ca2+, Mg2+

HCO-3, SO2-4, NO-3, Cl-

Звідки ці йони потрапляють до води? їхніми джерелами є природні поклади вапняків (CaCO3), гіпсу (CaSO4 • 2Н2О) і доломіту (CaCO3 • MgCO3). Унаслідок взаємодії розчиненого у воді карбон(ІV) оксиду з мінералами, інших процесів розчинення й хімічного вивітрювання гірських порід природна вода збагачується катіонами та аніонами (мал. 7.26).

1 Через мізерно малу концентрацію у воді катіонів Стронцію, Феруму(ІІ) та Феруму(ІІІ), Мангану(ІІ), Барію їхнім упливом на твердість води нехтують.

Мал. 7.26. Як м’яка вода стає твердою та навпаки

Складіть рівняння реакцій між карбонатами Кальцію та Магнію й карбон(ІV) оксидом, розчиненим у воді.

Джерелами йонів, що зумовлюють твердість води, можуть бути мікробіологічні процеси, які відбуваються в ґрунті на площі водозабору, у донних відкладеннях, кислотні опади, а також стічні води підприємств.

Уплив твердої води на побутові прилади, комунікації, організми.

Унаслідок нагрівання твердої води в трубах опалювальної системи, кип’ятіння її утворюється осад, який осідає на поверхні нагрівальних елементів, стінках труб, що призводить до зменшення теплопровідності, звужування отворів тощо (мал. 7.27).

Мал. 7.27. Накип

Використання твердої води призводить до перевитрачання електроенергії, бо частину енергії доводиться витрачати на нагрівання шару накипу. У твердій воді зменшується мийна дія мила (натрієвих і калієвих солей стеаратної кислоти) через утворення нерозчинних кальцієвих і магнієвих солей:

С17Н35СОО- + Са2+ —> С17Н35СОCa↓;

С17Н35СОО- + Mg2+ С17H35COOMg↓.

Утворені внаслідок цього осади стеаратів Кальцію та Магнію осідають на поверхні шкіри, волосся, заповнюють проміжки між волокнами тканин. Це може призвести до надмірної сухості шкіри, її подразнення. Волосся, вимите милом у твердій воді, тьмяніє та стає ламким. З поверхні тканин, випраних у ній, важче видалити забруднення та плями. Вапняковий наліт осідає на поверхні облицювальної плитки, керамічних, металевих і пластмасових деталях сантехнічного обладнання.

Уявлення про типи твердості води, їхні причини та способи усунення їх ви зможете дістати, проаналізувавши таблицю 7.2 (зробіть це).

Таблиця 7.2. Твердість води, її типи, причини та способи усунення

  • 1. Перетворіть наведені в таблиці 28.2 схеми реакцій на хімічні рівняння, запишіть відповідні повні й скорочені йонні рівняння.
  • 2. Поясніть: а) чому постійну твердість води не можна усунути кип’ятінням; б) які з наведених у таблиці 7.2 способів зм’якшення води є безпечними для використання в домашніх умовах.

Окрім уже зазначених способів зменшення твердості води, широко використовують й інші. Розгляньмо їх докладніше.

Дистилювання, або термічне опріснення, — чи не найпоширеніший на морських судах спосіб добування прісної води із забортної морської. Також солону воду знесолюють, а отже, і зм’якшують, виморожуванням. Унаслідок охолодження солоної води нижче температури замерзання в ній утворюються кристали льоду — замерзлої прісної води, які відокремлюють від розсолу, промивають і плавлять.

Йонний обмін — одна з найдоступніших та ефективних технологій зм’якшення води, яку пропускають крізь фільтр, що містить йонообмінні смоли. Унаслідок реакцій йонного обміну катіони Кальцію та Магнію з води переходять у смолу, а вода натомість збагачується йонами Натрію. Для регенерування смолу промивають розчином кухонної солі.

Зворотний осмос передбачає використання напівпроникної мембрани, крізь яку під тиском пропускають воду. Мембрана затримує частинки з розмірами 0,001-0,0001 мкм, зокрема гідратовані сульфат-, хлорид- та нітрат-аніони, катіони Натрію, Кальцію, Магнію, молекули барвників тощо, але пропускає молекули води.

Магнітний та електромагнітний методи зм’якшення води. Під час проходження потоку води крізь магнітні та електромагнітні фільтри під дією магнітного поля солі Кальцію та Магнію переходять у нерозчинну форму. Осад, що утворився, з потоком води виводять із системи водопроводу. Таке обладнання застосовують для захисту від накипу котлів, колонок, водонагрівачів, пральних та посудомийних машин у приватних будинках і котеджах.

Які з наведених вище способів зм’якшення води ґрунтуються на фізичних, а які — на хімічних явищах?

Мал. 7.28

Клітинні оболонки рослини містять пектини — вуглеводні ланцюжки. Пектинову сітку стабілізують йони полівалентних металів (таких, у яких валентність більша за одиницю). Тобто під час засолювання огірків катіони Кальцію та Магнію роблять пектинову сітку жорсткішою (мал. 7.28), а огірки не розм’якають і стають хрумкими.

Поясніть, чому для засолювання огірків досвідчені кулінари й кулінарки радять використовувати: а) для розсолу колодязну чи джерельну воду з підвищеною твердістю або навіть мінеральну воду; б) неочищену кам’яну або морську сіль, а не сіль «Екстра»; в) кальцій хлорид1 як добавку до розсолу; г) лише сиру, а не кип’ячену воду для розсолу.

Узагальнимо відомості про властивості води:

  • висока розчинна здатність;
  • поверхневий натяг забезпечує капілярні явища й змочування;
  • висока теплоємність (найвища з-поміж рідин питома теплоємність);
  • низька теплопровідність;

1 Аптечний препарат.

  • висока порівняно з іншими рідинами питома теплота пароутворення; випаровується й конденсується (сублімується) за будь-якої температури;
  • полярність молекул;
  • прозорість для світла;
  • практично не стискається;
  • максимальна густина за 4 °С;
  • хімічно активна сполука;
  • джерело кисню та донор протонів у фотосинтетичних реакціях.