15
Остмос
Доктор физико-математических наук
А. А. БОРОВОЙ
Срезанная ветка растения начала вянуть. Но вот вы опускаете ее в воду, и по прощевии сравнительно небольшего времени листы расправляются, вовь становятся упругими, наливаются влагой.
Почему ожидает ветка? Какие силы заставляют влагу пропикать в растение и двигаться внутри него? Что удерживает воду в клетках и не дает ей выходить наружу? Каким образом клетка растения оказывается пропицаемой для воды только в одном направлении: снаружи — вовнутрь?
Учены очень давно пытались ответить на эти вопросы, но определённойясности удалось добиться только в конце XIX века. Прошло еще несколько времени, и в laboratorиях сумели содействовать (хотя и очень грубо) эти природные явления. А уже в наших них с успехом заставили работать в самых разных областях науки и техники.
Кто и как обнаружил является космоса
В 1748 году французский физик-экспериментатор Ж. А. Нолле, занимаясь изучением кипения жидкости, столкнул с нейвестным до тех пор явлением. В одном из своих оптов он терметично закрыл стекан со спиртом пленкой бычего пузыря и погрузил его на доно большего сосуда с водой. Через несколько часов пузырь сильно раздулся — вода пропикла в стекан и увеличила давление в нем. Нолле не прошел mismo этого удивительного факта и объясил его следующее образом: «Животный пузырь может быть более пропицаем для воды, чем для спирта; в таком случае скорость прохождения воды оказывается больше скорости прохождения спирта».
Повторим опыт Нолле, но использует менее дефицитные материалы — бытий пузырь заменим листком целлюфана, а спирт — водным растором сахара.
На рисунке 1 изображен прибор, который изготовить несколько. В банку с чистой воды опущена широкая стеклянная трубка, затянутая сизу целлюфаном. Целлюфан закреплен так, чтобы вода не затекла внутри трубки (герметизацию можно осуществить с помощью липкой ленты, резинового колечка, пластлина и т. п.). Сверху в толстую трубку через резиновую пробку входит тонкая стеклянная трубка.
В начале опыта в трубки наливают растор сахара до тех пор, пока уровень жидкости в трубках и в банке не совпадут (этот момент и показан на рисунке 1 штириховой линии). Через некоторое время можно заметить, что высота столбца растора увеличится — так же, как и в опыте Нолле, вода начинает свое движение через лленку, в нашем случае целлюфаную.
Явление, при котором наблюдается одностороннее пропиниковение расторителя через полупроницаемую перегородку, отделяющего расторителя, называется осмосом. Слово это имеет греческий происхождение и означает только, давление.
16
Повторив опыт французского физика, впервые обнаружено осмос, попробуем разобраться в этом явлении.
Остмос и односторонняя диффузия
Вспомним, что проискодит при расторении какого-нибудь вещества в расторителе. Молеклы вещества пропикают в расторителе, а молеклы расторителя — в области, занятую растором. Такая взаимная диффузия (проникновение) и приводит к выравниванию концентраций расторенного вещества и расторителя по всему объему.
Теперь представим себе ситуацию, при которой растор и чистый расторитель разделены полупроницаемой перегородкой — она пропускает молеклы расторителя, но не пропускает молеклы расторенного вещества. Очевидно, что в этом случае выравнивание концентраций может присходить только за счет односторонней диффузии расторителя.
Именно так и проискодит в поставленном нами опите. Целлюфан «непрозрачен» для молекул сахара, но «прозрачен» для молекул воды, поэтому при одинаковой высоте жидкости (одинаковом давления на перегородку) в банке и трубках в начальной момент через целлюфан проходит больше молекул воды сизу вверх, чем сверху вниз. В результате уровень жидкости в банке начинает попасть на порождаемый в воду пропикает в растород под действием сил так называемого осмотического давления. Как только гидрорастаниеское давление столбца растора уравновесит осмотическое давление, процесс прекратиется. Высота этого столбца и служит количественной мерой осмотического давления.
Полупроницаемые перегородки и «искусственная клетка»
После работы Нолле многоченые — ботаники, химики, физики — стали ставить опыты и изучать явление осмоса. Для полупроницаемых перегородок они использовали самые различные природные материалы: кожицу от яйца, быцы и свининые пузыри, перепонки и т. п.
Рис. 2.
В середине XIX века (в 1866 г.) немецкий ученый М. Траубе изобрел способ получения искусственных полупроницаемых пленок из железисто-синеродистой меди (Cu₂Fe(CN)₆). Они были хорошо проницаемы для воды, но не пропускали большим других веществ.
Мы можем убедиться в этом с помощью красного эксперимента, который получил название «искусственная клетка». Не следует пусться громоздкой химической формулы пленки. В домашних условиях можно получить, используя исходных веществ медный купорос (CuSO₄) и железную соль (K₄Fe(CN)₆) — реактивы, продолжается в магазинах фотоматериалов.
Нальем в пробирку слабый (проблизительное трехпроцентный) растор медного купороса и бросим на дно кристаллик желтой кровной coli. Кристаллик должен быть чистым — лучшие всего от отколоты от большого кристалла перед самим опитом. В результате реакции
поверхность кристалка покрывается полупроницаемой пленкой. Вода пропикает через нее и вызывает рост «клетки». Оболочка «клетки» распирается, а в тех местах, где пленка попается под действием внутреннего давления и расторочно выливается наружу, сразу же снова
17
образуется полупроницаемая оболочка. Таким образом «клетка» постепенно принимает ветвистую форму. Можно сказать, что «искусственная клетка» ведет себя подобно животному организму.*)
Этот классический опыт требует терпения и akкуратности, красивые «растения» с первой попытки могут и не получиться.
В нашей дни можно поставить более эффективный и доступный эксперимент, в котором искусственные «растения» выращиваются в водном расторе жидкого стекла (кремнеискальный натрий Na₂SiO₃ — силикатный канцелярский клей). Удается вырастить цель «сад», если бросить в этот растор кристаллы хлористого кобальта, сернокислого железа, хлористого никеля, сернокислого маргана и многих других веществ (которые читатель может подобрать самостояльно).**)
Опыты с осмотетром и создание теории осмоса
Прошло десять лет с тех пор, как Траубе получил первый искусственный полупроницаемую пленку, и в 1877 году немецкий ботаник В. Пфефер создал прибор для измерения осмотического давления — осмотетр. Конструция, который мы воспользовались, воспроизвода опит Нолле (см. рис. 1), во многом повторяет идею Пфеффера.
С помощью осмотета ученый показал, что осмотическое давление зависит только от концентрации, но не от природы расторенного вещества (для слабых расторов), и увеличивается с повышением температуры. Его измерения показали также, что
*) Описанный опыт требует от экспериментатора стороны в обращении с реактивами. Нельза, чтобы они попадали на руки, стол и т.п. Если все же это произойдет, надо их сразу смыть большим количеством воды.
**) См. фотографии, воспроизведенные здесь на рисунке 2 и на первой странице обложки журнала.
Рис. 3.
Так впервые получены количественные данные об осмосе, которые помогли выдающемуся голландскому химнику Я. Х. Вант-Гоффу создать теории этого явления.
В 1887 году ученый опылковал работу, в которой показал, что молекулы расторенного вещества ведут себя в расторе так же, как молекулы идеального газа в состоянии А расторитель в этом случае играет роль…пустоты!
Чтобы понять ход рассужждения Вант-Гоффа, поставим мысленный эксперимент. Пусть горизонтальный цилиндр, наполненный водой, разделен на две равные части целлюфанов перегородкой, которая может смешаться без нарушения герметичности (рис. 3). Если в одной части цилиндра расторить сахар, то за счет диффузии чистой воды сквозь целлюфан в области растора давление там повышается и перегородка начинает смешаться. Объем растора будет увеличивать, объем чистой воды — соответственно уменьшаться. Но по результатам этого экспериментного предположения, что молекулы сахара в расторе оказывают дополнительное давление на перегородку. Расторное вещество стремится расширяться и сдинирует целлюфан — точно так же, как газ стремится расширяться и сдинирует поршень, отделяющий его от вакуума.
С помощью такого предположения Вант-Гоффу удалось обеспечить все особенности осмоса, обнаруженные Пфеффером. Ученый вывел уравнение, полностью аналогичное уравнению состояния идеального газа:
где π — осмотическое давление, V — объем растора, n — число молекул расторного вещества, R — универсальная газовая постоянная, T — температура. Было показано, что сходство между повышением расторного вещества и газа существенно расторова, такого, в котором взаимодействием молекул расторного вещества между собой можно претензить.
Теория Вант-Гоффа подтвердилась многими опитами. Ее автор стал пер-