Ozmózis

Az ozmózis folyamata egy dinamikus egyensúlyi állapot elérése után megáll, hiszen a folyamat során a közeg a vízleadás miatt hígul, míg a protoplasztban a vízvesztés miatt nő a sejt ozmotikus értéke. Amikor a két érték azonos lesz akkor a víz ki és beáramlásának sebessége kiegyenlítődik, beáll az egyensúlyi állapot.

Ozmózis következik be akkor is, ha valaki sós vizet (például tengervizet iszik). A sejt környezete a megnövekedett koncentráció miatt vizet von el a sejtektől, így azok kiszáradnak. Ezért nem alkalmas a tengervíz a szomjúság csillapítására.

• Mi történik, ha egy pohár vízbe egy kanál cukrot teszünk? Mi a jelenség magyarázata?

A cukor egy idő után elkeveredik a vízben. Ez a diffúzió jelensége, az oldott anyag áramlása a nagyobb koncentrációjú hely felöl a kisebb felé.

• Mi történik, ha egy szőlőszemet vízbe teszünk? Mi a jelenség magyarázata?

Víz áramlik a szőlőszembe, ami egy idő után szétpukkad. A jelenség oka az ozmózis, a szőlő-szem töményebb koncentrációja miatt víz áramlik befelé.

• Miért repednek meg az érett gyümölcsök eső után?

Az érés előrehaladtával a gyümölcsök cukortartalma egyre nő. Ezzel együtt egyre nagyobb lesz az ozmotikus potenciálkülönbség a héj felülete és a gyümölcs belseje között, így víz áramlik be, ami a gyümölcs megrepedéséhez vezet.

Forrás: wikipedia.hu

Az oldatokban az oldott anyagok a teljes térfogatban igyekszenek a teret homogénen betölteni, hasonlóan, mint ahogy a gázok a rendelkezésre álló tér egyenletes kitöltésére törekszenek. Ha ezt nem akadályozza semmi, akkor ez a homogenizálódás diffúzió útján valósulhat meg. A nem homogén – tehát inhomogén, vagy heterogén – rendszerben a komponensek kémiai potenciálja a hely függvényében nem azonos, ezért önként olyan folyamatok játszódnak le, amelyek az oldatokban és a gázokban is a komponensek egyenletes eloszláshoz vezethetnek (Transzportjelenség).

A féligáteresztő, sárga színű membránon csak a kisebb méretű részecskék juthatnak át

Az oldatokban az oldódó részecskék – molekulák, ionok – oldószer-molekulákat kötnek meg maguk körül, azaz szolvatálódnak (a vizes rendszerekben ezt a folyamatot hidratációnak nevezik). Ha híg az oldat, akkor az oldott részecskék körül szabadon kialakul a szolvátréteg és marad szabad oldószer-molekula, amely nem tartozik a szolvátburokhoz. A szolvatált részecskék – amelyeknek a mérete többszöröse mind az oldószer, mind pedig a nem szolvatált részecskék méretének – a diffúziós mozgás közben együtt mozognak a szolvátburokkal, egy mozgó egységet képeznek.

Ha a részecskék mozgását akadályozzuk, például féligáteresztő fal, vagy hártya választja el az oldatot a tiszta oldószertől, vagy egy hígabb oldattól, akkor csak a kisebb méretű részecskék – az oldószer molekulák – képesek a féligáteresztő rétegen átjutni, a nagy átmérőjű hidratált részecskék viszont nem. Ennek az lesz a következménye, hogy a töményebb oldat térfogata növekszik, a hígabb oldaté pedig csökken és a jelenség addig tart, amíg a két oldat koncentrációja ki nem egyenlítődik. Az ilyen koncentráció-kiegyenlítődési folyamatot nevezzük ozmózisnak.

Az ozmózis oka az, hogy a kémiai potenciálkülönbség van az egymással érintkező két oldat komponensei között és az önként végbemenő kiegyenlítődés folyamán a részecskék méretviszonyai miatt a kisebb koncentrációjú oldat felől több oldószer-molekula jut időegység alatt a féligáteresztő hártyán keresztül a töményebb oldatba, mint onnét vissza a hígabb oldatba. Ennek az egyensúlyra vezető folyamatnak az eredményeként az oldott anyag kémiai potenciálja a töményebb oldatban csökken (a vízé pedig nő), a kisebb koncentrációjú oldatban pedig az oldott anyag kémiai potenciálja megnő (a vízé pedig csökken).

Megakadályozható ez az önként végbemenő folyamat, ha az oldat felől kellően nagy nyomással az oldószer molekulákat a féligáteresztő hártyán keresztül visszakényszerítjük a kisebb koncentrációjú oldatba. Ha a nyomás éppen akkora, hogy időegység alatt mindkét irányba ugyanannyi oldószer molekula halad át a féligáteresztő membránon, akkor kialakul egy dinamikus egyensúly. Azt a nyomást, amit ki kell fejteni, hogy ez a dinamikus egyensúly megvalósuljon, ozmózisnyomásnak nevezzük.

Ha a nyomás nagyobb, mint az egyensúlyt biztosító nyomás, akkor az oldószer ellentétes irányú áramlása alakul ki, ezt a jelenséget nevezzük fordított ozmózisnak.

Az ozmózisnyomás nagysága kiszámítható hidrosztatikai nyomás mérésével, a mellékelt ábrán látható kísérleti berendezésben. Az oldószer bejutása az oldatfázisba térfogat-növekedést okoz, ennek következményeként az edény függőleges csövében a folyadékszint fokozatosan emelkedik. Ez a folyadékoszlop nyomása ellene hat az oldószer beáramlásának. A folyadékszint a csőben addig emelkedik, ameddig a hidrosztatikai nyomás egyenlővé nem válik az ozmózisnyomással.

Az ozmózisnyomásnak fontos gyakorlati jelentősége van például az élő szervezetekben. A növényi és állati sejtek jelentős része vizes oldat, amelyet olyan féligáteresztő (szemipermeábilis) hártya vesz körül, amely a vizet átengedi, a nedvekben oldott más anyagokat nem. Vízbe helyezve a sejtet az ozmózisnyomás következtében a víz behatol a sejtbe, a sejt megduzzad, esetleg szét is szakad. Ilyen folyamat eredménye például az érett gyümölcsök széthasadása sok eső esetén. A növényi nedvek ozmózisnyomása a 20 bart is elérheti. Ez teszi lehetővé, a nedvesség – s vele együtt a tápanyag – felszívódását a magas növények csúcsáig.

Az állati és az emberi szövetek sejtjeiben az ozmózisnyomás 8 bar körüli, s a szervezet igyekszik ezt állandó értéken tartani. Az állati sejteknek rugalmas a sejtfaluk, de ha azokat a sejtnedvnél kisebb ozmózisnyomású (hipotóniás) oldatba helyezzük, megduzzadnak, esetleg szétpattannak. Ha viszont a környező oldat ozmózisnyomása nagyobb (hipertóniás), akkor a sejt vizet veszít és zsugorodik. A túl sós ételek azért okoznak szomjúságot, mert a szervezet vízfelvétellel igyekszik a nagy ozmózisnyomás hatását csökkenteni. Az emberi szervezet sejtjeinek oldatai a 0,9% (n/n) nátrium-klorid oldattal azonos ozmózisnyomásúak (izotóniás oldatok), ezért használnak ún. fiziológiás NaCl-oldatot injekcióhoz, infúzióhoz és a gyógyászat más területén.

Nagyon fontos a szerepe az ozmózisnak a vér tisztítása, a hemodialízis terén. A dializátor nevű szűrőben kering a vér, a szűrőben levő speciális kapillárisok külső oldalán pedig egy testhőmérsékletre felmelegített, a vérnek megfelelő összetételű speciális sóoldat, az ún. dializáló oldat, és ebbe jutnak át a két teret elválasztó membránon keresztül a vérből a salakanyagok. A sóoldat állandóan cserélődik és mindig magával viszi, kimossa a méreganyagokat.

A membrán anyaga különböző lehet, kezdetben vékony celofánt használtak, ma a sokkal jobb szintetikus membránokat (poliszulfon, poliakril-nitril stb.) részesítik előnyben. A salakanyagok a dializátor kapillárisainak membránján szűrődnek ki, melyen nagyszámú finom lyuk van. Ezeken a kisméretű lyukakon a sók, a víz és méreganyagok átjutnak, de a nagyméretű anyagok és vérsejtek nem.

Számos ipari technológia, például a víz sótalanítása, a cukorgyártás elméleti alapját jelenti az ozmózisjelenség és vele összekapcsolódva a diffúziós folyamat.