В популярных книгах по ботанике описывается такой эксперимент. В ши­рокой части моркови нужно высвер­лить отверстие вдоль её оси, вставить туда стеклянную трубку с солёной во­дой, а потом погрузить морковь в ди­стиллированную воду. Спустя некото­рое время можно заметить, что вода в трубке поднялась значительно выше уровня воды в сосуде. Выходит, мор­ковь работает как насос, нагнетая во­ду в трубку. Явление это называется осмосам (греч. «осмос» — «толчок», «давление») и наблюдается всегда, ко­гда два раствора различной концент­рации (или раствор и чистый раство­ритель) разделены полупроницаемой перегородкой — мембраной. Полу­проницаемой она называется потому, что молекулы растворителя через та­кую мембрану проходят, тогда как растворённое соединение ею задер­живается. В результате устанавливает­ся направленный поток молекул рас­творителя из области, где раствор менее концентрированный (молекул растворителя больше), туда, где рас­твор более концентрированный (мо­лекул растворителя меньше).

Впервые явление осмоса наблюдал французский естествоиспытатель аб­бат Жан Нолле (1700—1770). Он на­полнил сосуд винным спиртом, за­крыл его плотно мембраной (это был кусок мочевого пузыря свиньи) и погрузил в чан с водой. Вода про­ходила внутрь сосуда со спиртом и

создала в нём такое давление, что пузырь раздулся и лопнул. После Нолле проводилось много подобных экс­периментов. Они интересовали глав­ным образом биологов. В частности, было выяснено, что в моркови (и дру­гих растениях) мембранами служат стенки растительных клеток. Клеточ­ный сок содержит различные раство­рённые питательные вещества, имен­но поэтому вода проникает снаружи в клетки и держит их «в тонусе». Ес­ли концентрация раствора вне клеток окажется значительно больше, чем внутри, вода будет двигаться в обрат­ном направлении — из клеток нару­жу. Именно это происходит, когда ломтики лимона засыпают сахаром, а нашинкованную капусту пересыпают солью: и лимон, и капуста «пускают сок». Другой знакомый многим при­мер: если нырнуть в реке с открыты­ми глазами, в них проникает пресная вода и ощущается резь (внутри глаза концентрация солей выше, чем в реч­ной воде). В солёной же морской во­де осмос не возникает, поскольку концентрации солей в воде и в тка­нях человеческого глаза близки. Те­перь понятно, почему вырезанный из картофеля кубик в пресной воде на­бухает, в малосолёной не изменяется, а в сильносолёной — съёживается. По той же причине пресноводные рыбы не могут жить в морской воде, а мор­ские — в речной.

Направленный поток растворителя через мембрану наблюдается до тех пор, пока его не уравновесит ка­кая-либо внешняя сила. Давление, со­здаваемое столбом воды в трубке или выгнутой мембраной, называется осмотическим. Это то дополнительное давление, которое надо приложить к раствору, чтобы осмос прекратился. Осмотическое давление нетрудно из­мерить. Первые опыты такого рода проделал в 1826 г. французский био­лог Анри Дютроше (1776—1847). Он же ввёл и сам термин, хотя и не знал истинной причины данного явления. Дютроше установил, что осмотическое давление пропорционально концент­рации раствора.

Наиболее точные для XIX в. изме­рения в широком диапазоне давлений

(вплоть до нескольких атмосфер) про­вёл в 1877 г. немецкий химик и бота­ник Вильгельм Пфеффер (1845— 1920). Мембранами в его опытах служили перепонки из бычьего пузы­ря или неглазурованные глиняные со­суды (глазурь на поверхности керами­ки делает её водонепроницаемой). Пфеффер смачивал сосуды водой, на­полнял их растворами красной кровя­ной соли K₃Fe(CN)₆ и погружал в рас­твор медного купороса. При этом в порах сосуда образовывались полу­проницаемые мембраны из нераство­римого соединения Cu₃[Fe(CN)₆]₂.

Результаты Пфеффера использо­вал нидерландский химик Якоб Хендрик Вант-Гофф, который в 1887 г. вывел формулу зависимости осмоти­ческого давления от концентрации раствора. Она оказалась такой же, как и для давления идеального газа: р=cRT, где р — осмотическое давление, с — концентрация растворённого вещества, выраженная в молях на 1 л раствора, Т — температура. Это озна­чает, что осмотическое давление рас­твора численно равно давлению, ко­торое производило бы то же число молекул растворённого вещества, ес­ли бы оно в виде идеального газа за­нимало при той же температуре объ­ём, равный объёму раствора.

Итак, измерив осмотическое дав­ление, можно рассчитать мольную концентрацию и, следовательно, опре­делить молекулярную массу раство­рённого вещества. То есть явления ос­моса дают химику ещё один путь определения молекулярной массы не­известного вещества. Этот метод осо­бенно удобен для биомолекул с высо­кой молекулярной массой, поскольку он высокочувствителен: осмотиче­ское давление всего 0,1-процентного раствора сахара равно 7•10³ Па (при­мерно 0,07 атм). Столб воды при та­ком давлении поднимется на 70 см.