Osmose

Die proses van osmose oor 'n semi-deurlaatbare membraan. Die blou kolletjies verteenwoordig deeltjies wat die osmotiese gradiënt bestuur.

Wanneer suiker en water gemeng en die oplossing met 'n laag suiwer water in aanraking gebring word, sal die suikermolekules vanaf die oplossing na die suiwer water diffundeer totdat daar ewe veel suikermolekules in albei oplossings is.

Die molekules word aangedryf deur veral Brown se beweging, wat die beweging heeltemal ewekansig en ook van temperatuursveranderinge afhanklik maak. Indien die temperatuur styg, sal die molekules vinniger beweeg, en ʼn temperatuursdaling sal hulle beweging vertraag. 'n Temperatuursverhoging sal dus waarskynlik die suikermolekules na die suiwer waterlaag laat beweeg, terwyl daar net 'n klein moontlikheid bestaan dat dit na die suikeroplossing sal terugbeweeg.

Dit laat die indruk ontstaan dat die suikermolekules in 'n stroom vanaf die gebied van hoë konsentrasie na die gebied van lae konsentrasie beweeg. Indien daar egter tussen die twee oplossings 'n skeidingswand geplaas word waardeur die suikermolekules nie kan dring nie, kan diffusie nie meer plaasvind nie. As die skeidingswand wel vir watermolekules deurdringbaar is, kan osmose plaasvind. Osmose is dan die watermolekules se beweging van die suiwer water (hoë konsentrasie water) deur die skeidingsmembraan na die suikeroplossing (lae konsentrasie water).

Omdat die suikeroplossing water bykry, sal dit 'n volumevermeerdering in die houer veroorsaak, wat 'n druktoename tot gevolg het. Die gebeure kan vergelyk word met ʼn toestand wat in 'n ballon ontstaan as die ballon uit gedeeltelik deurlaatbare materiaal vervaardig is en met 'n suikeroplossing gevul is. Die ballon word nou onder druk geplaas en hoe harder die ballon gedruk word, hoe meer watermolekules sal deur die wand dring. As die druk verminder word, sal die watermolekules as gevolg van osmose weer uit die omringende medium na die ballon terugkeer.

Osmotiese vervoer is in die praktyk afhanklik van die teenstellende werking van 2 kragte, naamlik die osmotiese suigkrag, en die hidrostatiese krag van ʼn oplossing. Indien 'n suikeroplossing wat deur 'n semi-deurlaatbare membraan ingehou word, in ʼn beker suiwer water geplaas word, sal die oplossing se osmotiese suigkrag water van die hoë konsentrasie (suiwer water) na die lae konsentrasie (suikeroplossing) laat beweeg. Hoe meer water in die oplossing is, hoe groter sal die volume word, wat 'n druktoename tot gevolg sal hê.

Die druk is hidrostaties en begin sodra die oplossing se volume toeneem en die osmotiese suigkrag teengewerk word, sodat die waterinvloei verminder. ʼn Ewewigsituasie ontstaan wanneer die osmotiese suigkrag en die hidrostatiese druk presies gelyk is, sodat die water weggedruk word met dieselfde krag as waarmee dit opgesuig word. Water kan dus nie meer vloei nie. Die druk wat ontstaan wanneer die twee teenoorgestelde kragte verhinder dat enige water deur die semi-deurlaatbare membraan vloei, word osmotiese druk genoem. Osmotiese druk word deur faktore soos die temperatuur van die oplossing en die konsentrasie opgeloste stowwe bepaal.

Dit kan in 'n formule soos volg uitgedruk word:  $\pi$ = cRT, waar $\pi$ osmotiese druk, R die gaskonstante (met die waarde 0,082 liter atm mol ⁻¹ K ⁻¹), C die konsentrasie opgeloste deeltjies (uitgedruk as mol per liter) en T die temperatuur is. Uit die formule kan afgelei word dat osmotiese druk eweredig is aan die aantal opgeloste deeltjies indien die temperatuur konstant is. 'n Gevolg hiervan is dat indien meer deeltjies aanwesig is, die osmotiese druk hoër sal wees. In water word 'n tafelsout mol geïoniseer tot die ione Na⁺ en CI^- en lewer dit altesaam 2 mol deeltjies (1 mol is ongeveer 6 X 10²³ deeltjies).

Suikermolekules sal nie ioniseer nie en sal in oplossing net 1 mol deeltjies lewer. Die osmotiese druk van 1 mol tafelsout is dus 2 keer soveel as die van 1 mol suiker. Die osmotiese druk van ʼn oplossing gee 'n aanduiding van die opgeloste stowwe se mate van ionisasie. Die formule is egter net op verdunde oplossings van toepassing omdat daar by gekonsentreerde oplossings ander faktore inwerk wat ingewikkelder formulering vere is.

Die teenoorgestelde effek word opgemerk wanneer molekules assosieer. (Assosiasie is die kombinasie van klein molekules tot 'n enkele grote.) 'n Gevolg van assosiasie is dat dit tot 'n verlaging van osmotiese druk lei. Lewende organismes maak van die verskynsels gebruik om polisakkariedverbindings, soos stysel of glikogeen, te berg, in plaas van glukose wat osmoties aktief is en daarom 'n sel onder hoë druk gaan plaas. Die stysel- en glikogeenmolekules is baie groter en kan in selle opgeberg word sonder om selle nadelig te beïnvloed. Indien die stysel binne 'n sel weer tot die samestellende glukose afgebreek word, sal die sel soveel water deur osmose bykry dat dit uitmekaarspat.

Halfdeurlaatbare membrane

ʼn Skeidingswand wat vir sommige molekules deurlaatbaar en vir ander ondeurlaatbaar is, word 'n semi- of halfdeurlaatbare membraan genoem. Die membrane is volop in die natuur: alle dier- en plantselmembrane is semi-deurlaatbaar.

In vroeë eksperimente na die aard van semi-deurlaatbare membrane is meestal varkblase as membrane gebruik. Later is gebruik gemaak van 'n baie poreuse stuk erdewerk waarvan die porieë met kolloïede voorberei is om dit semi-deurlaatbaar te maak. Dit is na die uitvinder vernoem en staan bekend as Traube se membraan. Hedendaags word sekere kunsstoffoelies ook as semi-deurlaatbare membrane gebruik. Die membrane se toepassing in die chemie is om mengsels te suiwer.

Semi-deurlaatbare membrane kan beskou word as 'n geslote vlak met klein porieë wat so as 'n sit werk om sekere groottes molekules deur te laat en ander agter te hou. ʼn Ander moontlike siening van membraanwerking is dat stowwe moontlik in die membrane kan oplos, deur die membraan kan diffundeer en dit aan die ander kant weer verlaat. 'n Vetagtige membraan sal vir ione 'n hindernis veroorsaak omdat dit nie-polêr is, maar sal vetagtige stowwe deurlaat. In eksperimente het 'n membraan wat van die metaal palladium gemaak is, semi-deurlaatbaar opgetree.

Dit het waterstofgas deurgelê af, maar gasse soos suurstof en stikstof kan nie daardeur dring nie. Waterstof los in die palladium op en diffundeer deur die metaal in die vorm van protone en neutrone nadat die H₂-molekules eers op die metaal se oppervlak tot H-atome ontbind het.

Osmose en die lewende organisme

Lewende selle en hulle omgewing vorm osmotiese sisteme. By plantselle vorm die selmembraan en die sitoplasma semi-deurlaatbare skeidingswande, terwyl die vakuole se selsap 'n aantal opgeloste soute bevat. Dierselle het 'n semi-deurlaatbare membraan en 'n osmoties aktiewe sitoplasma, maar geen selwand soos plantselle nie. Dit gebeur dikwels in biologiese sisteme dat die konsentrasie opgeloste stowwe binne die sel nie gelyk is aan die soutkonsentrasie buite die sel nie.

Die waterstroom sal dus na die hoogste soutkonsentrasie (lae waterkonsentrasie) beweeg totdat die konsentrasieverskil nie meer bestaan nie. Die sel se omgewing, wat in invloed op die osmotiese aktiwiteite het, bestaan uit naburige selle, liggaamsvloeistof, die sap van vaatbundels by plante en varswater of soutwater by waterorganismes. In plant- en dierselle is osmose op verskillende maniere by die lewensprosesse betrokke.

Osmose by plante

Plantselle het ʼn vaste vorm omdat hulle selwande besit wat uit sellulose en pektien saamgestel is. Onder die selwand word 'n selektief-deurlaatbare (semi-deurlaatbare) membraan aangetref wat die sitoplasma omsluit. Die sitoplasma word deur 'n membraan, die tonoplast, van die vakuool geskei. Die vakuool is ʼn ruimte gevul met selsap (vakuoolsap) wat 'n relatief hoë konsentrasie ione, suikers, proteïene, vette en 'n verskeidenheid kleurstowwe bevat.

Die konsentrasie van hierdie stowwe bepaal die sel se osmotiese potensiaal. As die sel deur water omring word, sal die intrasellulêre waterkonsentrasie vanweë die aanwesigheld van hierdie stowwe laer wees as die buite die sel. Water sal deur die selmembraan en sitoplasma na die vakuool beweeg en dit laat uitsit, wat die tonoplast teen die sitoplasma sal laat druk. Laasgenoemde sal teen die selwand druk, wat onrekbaar is en ʼn teendruk sal skep.

Die spanning word turgor genoem en is 'n krag wat aan kruidagtige plante, blare en blomme stewigheid gee. Indien te veel water deur transpirasie verlore gaan, sal die turgor afneem en sal die plant stewigheid verloor. In Mens kan nou sê die plant het verlep of verwelk. Osmose beheer ook die inwendige vervoer van voedingstowwe in die plant. Dit word bewerkstellig deurdat die soutkonsentrasie in die wortels hoër is as die van die omliggende grond, wat 'n waterinvloei na die wortelselle veroorsaak.

Die waterkonsentrasie in die naburige selle sal dan laer wees en water sal daarheen beweeg totdat dit in die xileem beland. Osmotiese druk veroorsaak dat water in die xileem na die blare opbeweeg. Die blaarselle verloor water deur transpirasie, waardeur hul waterkonsentrasie verlaag word en wat veroorsaak dat water deur middel van osmose uit die xileem gesuig word (die suigkrag van transpirasie). Water word dus deur twee kragte, osmotiese drukkrag en die suigkrag van transpirasie, van die wortels na die blare vervoer.

Indien plante in grond met 'n hoë soutinhoud groei, kan osmose in die omgekeerde rigting plaasvind en verloor die plante water. In ernstige gevalle kan dit die plant so affekteer dat die vakuole van individuele selle inkrimp en veroorsaak dat die sitoplasma van die selwand losgaan. Die toestand word plasmolise (osmotiese skok) genoem en die plantselle sal doodgaan as die toestand te lank duur. Plante wat te veel kunsmis toegedien is, ondervind 'n soortgelyke toestand omdat die grond se soutekonsentrasie kunsmatig verhoog is; daar word dan gesê dat die plante doodgebrand het.

Die beginsel van plasmolise word in die praktyk benut om voedsel te bewaar, veral wanneer groente en vrugte ingemaak en vleis gepekel of gedroog word; dit geld ook vir konfyt en versuikerde vrugte. In die prosesse word die voedsel in versadigde konsentrasies suiker of sout geplaas. of die meeste water word deur uitdroging verwyder. Daar word dus 'n baie hoë konsentrasie opgeloste stowwe in die voedsel geskep en 'n swam of bakteriële sel wat hierop beland, verloor water in 'n baie hoë tempo en sterf voordat dit kans kry om die voedsel te bederf.

Osmotiese verskynsels by diere en die mens

Dierlike en menslike selmembrane is semi-deurlaatbaar, terwyl die huidbedekkings van baie waterlewende diere ook water deurlaat. By diere en die mens is daar nie 'n selwand wat 'n teendruk veroorsaak wanneer te veel soute in die sel ophoop nie. 'n Beheermaatreël is om die konsentrasies van die liggaamsvloeistof wat om die selle spoel, konstant te hou, en hiervoor bestaan 'n ingewikkelde water- en southuishouding wat deur die uitskeidingsorgane gereguleer word.

Indien die selle omring word deur 'n oplossing met 'n laer konsentrasie as die sitoplasma (hipotoniese oplossing), neem hulle water op, sit uit en kan selfs bars. As hulle deur 'n baie gekonsentreerde oplossing (hipertoniese oplossing) omring word, verloor hulle water totdat hulle ingekrimp en verfrommel is. Vanweë dier- en mensselle se kwesbaarheid vir osmotiese wanbalanse word slegs water met ʼn soutkonsentrasie gelyk aan die van bloed (fisiologiese soutoplossing of 'n isotoniese oplossing) gebruik vir die binneaarse toediening van water (aan persone wat baie water verloor het weens cholera of groot brandwonde). Baie seediere se bloedsoutkonsentrasie is dieselfde as die van die see.

Die beenvisse (klas Osteichthyes) is 'n uitsondering, want hul bloedsoutkonsentrasie is laer as die van die see en hulle verloor gevolglik voortdurend water. Om algehele uitdroging te voorkom, moet die visse baie seewater drink; spesiale soutkliere aan die basis van die kieue verwyder die sout uit die drinkwater en skei die sout weer in die see af. Diere wat in varswater leef, sal voortdurend water opneem omdat hulle bloed meer sout as die omringende water bevat.

Eensellige diere soos die amoebas (genus Amoeba), die pantoffeldiertjies (genus Paramecium) en die genus Vorticella oorkom die probleem deur kloppende vakuole te gebruik om die oortollige water uit die selle te pomp. By hoër diere word dit deur uitskeidingsorgane gedoen. Organismes wat hulle inwendige soutkonsentrasie konstant kan hou, is homoiosmoties, terwyl die met soutkonsentrasies wat saam met die omgewing wissel, poikilosmoties is. 'n Verdere onderskeid kan gemaak word wat soutwaterlewende diere betref, aangesien seelewende diere (stenohaliene diere) nie baie aanpasbaar hoef te wees vir soutkonsentrasiewisselings nie omdat die see in hierdie opsig taamlik stabiel is.

Die soutkonsentrasie in riviermonde en by kusgebiede kan baie veranderlik wees, sodat hierdie diere (eurihaliene diere) 'n groot aanpassingsvermoë moet hê. Diere soos salms, wat in varswater kuit skiet maar hulle voedsel in die see verkry (anadrome diere), en ander soos die paling met 'n teenoorgestelde lewenswyse (katadrome diere), moet 'n nog groter aanpassingsvermoë hê. Veral soogdiere en die mens het 'n aantal osmoseptors (selle wat gevoelig is vir bloed se osmotiese waarde) in die hipotalamus.

As die bloed se osmotiese waarde styg, neem die selle dit waar en die hipotalamus stimuleer die produksie van antidiuretiese hormoon. Die hormoon veroorsaak dat die niere minder vog uitskei en dorsgewaarwording ontstaan, wat 'n prikkel is vir groter wateropname en 'n gevolglike verlaging van die bloed se soutkonsentrasie.

Bronnelys

• Wêreldspektrum, 1982, ISBN 090840963X, volume 22, bl. 27