Дифузия и осмоза

В това видео искам да покрия няколко теми, които са свързани. И на някакво ниво са много прости, но на друго ниво доста объркват хората. Да се надяваме, че можем да направим напредък. Едно добро място, от което да започнем, е да си представим, че имам някакъв вид съд тук. Да кажем, че това е съдът ми и в него имам множество водни молекули. Просто имам множество водни молекули. Те се трият една към друга. Тя е в течното си агрегатно състояние, това е течна вода. И във водните молекули имам няколко захарни молекули. Може би ще ги направя в розово. Имам няколко захарни молекули тук. Но имам много, много повече водни молекули. Искам до поясня това. Имам много, много повече водни молекули в този съд, с който работим. В този вид ситуация наричаме това, от което имаме повече, разтворител. В този случай има повече водни молекули и можеш буквално да гледаш на това като брой молекули. Няма да навлизам в обсъждането на молове и всичко това, понеже може да не знаеш за тях все още, но просто си представи, че това, от което имаме повече, ще наречем разтворител. В този случай водата е разтворител. И от каквото има по-малко – от водата има повече и тя е разтворител, а по-малко има от захарта и това се приема за разтворено вещество. Това е разтвореното вещество, захарта. Не е нужно да е захар. Може да е всяка молекула, от която има по-малко във водата, в този случай, захарта е разтвореното вещество. И можем да кажем, че захарта е била разтворена във водата. Захарта е била разтворена във водата. И това цялото нещо тук, комбинацията от водни и захарни молекули, наричаме разтвор. Цялото това нещо наричаме разтвор. Един разтвор съдържа разтворител и разтворено вещество. Разтворителят е вода. Това е нещото, което извършва разтварянето, а това, което бива разтворено, е захарта. Това е разтвореното вещество. Всичко това може да е, или да не е, преговор за теб, но го правя с причина – понеже искам да говоря за идеята за дифузията. И идеята е доста лесна. Да кажем, че имаш същия съд. Нека направя малко по-различен съд тук, просто за да говорим за дифузията. Ще се върнем обратно към водата и захарта – особено към водата. Нека кажем, че имаме съд тук и да кажем, че в него има няколко въздушни частици. Може да е всичко – кислород или въглероден диоксид. Нека просто начертая няколко въздушни молекули. И да кажем, че това е в газово състояние – просто за целта на аргумента – газообразен кислород. И всяко от това е О2. И да кажем, че това е настоящата конфигурация, че всичко това тук е вакуум и че има някаква температура. Тоест тези водни молекули ще имат някакъв вид кинетична енергия. Те се движат в някакъв вид случайни посоки. Въпросът ми е какво ще се случи в този вид контейнер. Всяко от тези ще се блъска във всяко друго на случаен принцип. По-вероятно е да се сблъскат с неща в посока надолу и наляво, отколкото в посока нагоре и надясно. Ако това тук се движи в посока надолу, наляво, то ще се сблъска с нещо и после ще рикушира в посока нагоре и надясно. Но в посока нагоре и надясно няма нищо, в което да се сблъскаш. Като цяло, всичко се движи в случайни посоки, но е по-вероятно да можеш да се движиш в посока надясно. Когато отидеш наляво е по-вероятно да се сблъскаш с нещо. Това е по пътя на логиката. С времето, ако оставиш тази система да стигне до някакъв вид равновесие – няма да навлизам в подробности за това какво означава това. Можеш да гледаш видеата по термодинамика, ако искаш да видиш това. В крайна сметка ще видиш, че съдът ще изглежда ето така. Не мога да гарантирам това. Има някаква вероятност, че ще остане така, но е много вероятно тези пет частици да бъдат сравнително разпръстнати. Това е дифузия и това е просто разпространяването на частици или молекули от области с висока концентрация към области с ниска концентрация. В този случай молекулите ще се разпространят в тази посока от област с висока концетрация към област с ниска концентрация. Сега се питаш какво е концентрация. Има много начини да измерим концентрацията и можеш да навлезеш в моляритет и молалитет и всичко това. Но простата идея е колко от тази частица имаш на единица пространство. Тук имаш много от тези частици на единица пространство, а тук имаш много малко от тези частици на единица пространство. Това е висока концентрация, а това е ниска концентрация. Можеш да си представиш други експерименти като този. Можеш да си представиш разтвор като – нека направим нещо такова. Нека направя.. Да кажем, че имам два съда. Да видим, два съда. Да се върнем обратно към ситуацията с разтвора. Това беше газ, но започнах с този пример, така че да останем с този пример. Да кажем, че имам врата тук, която е по-голяма от водните или захарните молекули. От всяка страна имам много водни молекули. Имам много водни молекули от всяка страна. Имам много водни молекули. Ако просто имах водни молекули – всички те подскачат наоколо в случайни посоки – шансът водна молекули да се насочи насам е еквивалентен на шанса една водна молекула да се насочи насам, като приемем, че и двете страни имат едно и също ниво водни молекули, иначе наляганията биха били различни. Но да кажем, че горната част на това е същата като горната част на това. Така че няма повече налягане в едната страна отколкото в другата. Ако поради някаква причина много повече водни молекули се движеха в посока надясно, тогава това щеше да се пълни с повече вода, а знаем, че това не е вероятно да се случи. Това са просто два съда вода. Сега нека поставим някакво разтворено вещество. Нека разтворим някакво вещество и да кажем, че направим разтварянето в лявата страна. Слагаме няколко захарни молекули в лявата страна. И те са достатъчно малки, за да преминат през тази тръба. Това е едно предположение, което правя. Какво ще се случи? Всички тези имат някакъв вид кинетична енергия. Те подскачат наоколо. С времето водата се движи напред-назад. Тази водна молекула може да отиде насам. Тази водна молекула може да отиде насам, но те се уравняват, но с времето една от тези големи захарни молекули ще се движи в правилната посока, за да премине през – може би тази, вместо да се движи в тази посока, започва да се движи в тази посока. Преминава през този тунел, свързващ тези два съда и ще се озове тук, нали така? И тази пак ще си подскача наоколо. Има някаква вероятност да се върне обратно, но все още там има повече захарни частици от тук. Така че пак има повече вероятност, че една от тези ще премине към тази страна, отколкото една от тези да отиде до другата страна. Можеш да си представиш, че ако правиш това с газилиони частици – аз го правя само с четири – през времето частиците ще са се разпространили така, че концентрациите им да са приблизително равни. Може би тук ще имаш две след време. Но когато работиш само с три или четири, или пет частици, има някаква вероятност това да не се случи, но когато го правиш с газилион частици и те са много малки, вероятността е много, много, много висока. Но целият този процес – преминахме от съд с висока концентрация към съд с ниска концентрация и частиците биха се разпространили от съда с ниска концентрация към съда с висока концентрация. Те са дифундирали. Това е дифузия. Това е дифузия. И да научим някои други думи, които биват използвани с идеята за дифузия – когато започнахме, това имаше по-висока концентрация. Съдът отляво имаше по-висока концентрация. По-висока концентрация. Това също е относително, нали така? По-висока концентрация от този съд. И този тук имаше по-ниска концентрация. По-ниска концентрация. И има са думи за тези неща. Този разтвор с висока концентрация се нарича хипертоничен разтвор. Нека запиша това в жълто. Хипертоничен разтвор. Хипер, като цяло, означава, че има много от нещо, има твърде много от нещо. И този разтвор с по-ниска концентрация е хипотоничен разтвор. Може би чуваш от някой от роднините си, ако не са яли скоро, да кажат "Хипогликемичен съм". И това означава, че не са – чувстват се замаяни. Няма достатъчно захар в кръвообращението им и те искат да припаднат, така че искат ядене. Ако току-що изяде десертче, може би си в хипергликемия или може би имаш хипергликемия по принцип. Но това са добри представки, които да знаеш. Хипертоничен – означава, че има много от разтворимото вещество. Имаш висока концентрация. И после, при хипотоничния, нямаш много от разтвореното вещество, имаш ниска концентрация. Добре е да знаеш тези думи. Като цяло, дифузията – ако няма бариери пред дифузията, както имахме тук, разтвореното вещество ще премине от висока концентрация, или хипертоничен разтвор, ако може да премине, към хипотоничен разтвор, в който концентрацията е по-ниска. Нека сега направим интересен експеримент. Говорихме за дифузията и досега говорихме за дифузията на разтвореното вещество. И, като цяло – и това не е винаги така – ако искаш да обобщиш колкото е възможно, разтвореното вещество е това, от което имаш по-малко, а разтворът е това, от което имаш повече. И най-честият разтворител е вода, но не е нужно да е вода. Може да е някакъв вид алкохол. Може да е живак. Може да са много молекули, но водата в повечето биологични и химични системи по принцип е най-типичният разтворител. Тя е това, в което са разтворени други неща. Но какво се случва, ако имаме тунел, през който разтвореното вещество не може да премине, понеже е твърде голямо, но водата е достатъчно малка, за да премине през него. Нека помислим за тази ситуация. За да помислим за нея, ще направя нещо интересно. Да кажем, че имаме съд, да кажем... Дори няма да начертая съд. Да кажем, че просто имаме външна среда, в който има вода. Това е външната среда и после имаш някакъв вид мембрана. Имаш някакъв вид мембрана, това е мембрана. Водата може да преминава през тази мембрана. Тя е полупропусклива. Пропусклива е за вода, но разтвореното вещество не може да премине през мембраната. Да кажем, че разтвореното вещество е захар. Имаме вода в и извън мембраната. Това са малки водни молекули. Това тук е мембрана. И да кажем, че отново имаме захарни молекули. Захар. Можеше да е всичко. Имаме няколко захарни молекули, които са малко по-големи – или могат да са много по-големи. Всъщност са много по-големи от водните молекули. И начертах само четири, но имаш газилион от тях. Имаш много повече водни молекули. Просто опитвам да покажа, че имаш повече водни молекули, отколкото захарни молекули. И тази мембрана е полупропусклива. Пропусклива означава, че позволява на нещата да преминат. Полупропусклива означава, че не е напълно пропусклива. Полупропусклива – в този контекст казвам, че позволява на водата да премине през мембраната. Водата може да премине, но захарта не може. Захарта е твърде голяма. Ако увеличим върху самата мембрана – може би мембраната изглежда ето така. Ще увелича тази мембрана. И в мембраната има малки дупки, ето така. И може би водните молекули са около този размер. Тоест те могат да преминат през тези дупки. Водните молекули могат да преминат напред-назад през дупките, но захарните молекули са около толкова големи. Те не могат да преминат през тази дупка. Те са твърде голям за този отвор, за да преминават напред-назад. Какво мислиш ще се случи в тази ситуация? Първо, нека използваме терминологията си. Помни, захарта е нашето разтворено вещество. Водата е разтворителят. Полупропусклива мембрана. Коя страна на мембраната има по-висока или по-ниска концентрация на разтвореното вещество? Ами, вътрешната страна. Вътрешната страна е хипертонична. Външната страна има по-ниска концентрация, така че е хипотонична. Ако тези отвори бяха достатъчно големи, въз основа на това, за което говорихме, тези си подскачат наоколо, водата се движи във всяка посока и равна вероятност – всъщност ще говоря за това след малко. Ако всичко беше широко отворено, щеше да има равна вероятност, но ако това беше широко отворено, тези в крайна сметка биха отскочили и преминали до тази страна и вероятно щяха да се окажат с равни концентрации, в крайна сметка. И щеше да имаш традиционната дифузия, където преминава от високи концентрации на разтворено вещество към ниски концентрации разтворено вещество. Но в този случай, тези не могат да преминат през дупката. Само водата може да премине напред-назад. Ако тези не бяха тук, водата би имала равна вероятност да премине в тази посока, както да премине в другата посока, напълно равна вероятност. Но понеже тези са от дясната страна на – или, в този случай, във вътрешната част на мембраната. Това е увеличената външна част на мембраната – това е по-малко вероятно, понеже тези може да са в позиция на подход към дупките – малко по-малко вероятно е водата да е в позиция на подход към дупките, така че е по-вероятно водата да влезе, отколкото да излезе. Искам да направя това много ясно. Ако захарните молекули не бяха тук, очевидно е равно вероятно водата да мине във всяка посока. Сега, когато тези захарни молекули, тези захарни молекули може да са в дясната страна. Те може да блокират – предпологам най-добрият начин да мислим за това е, че блокират подхода към дупката. Те никога няма да могат самите те да минат през дупката и може дори да не блокират дупката, но се движат в случайна посока. Ако една водна молекула преминаваше – всичко това е пробабилистично и работим с газилиони молекули – толкова по-вероятно е да бъде блокирана да излезе. Но водните молекули от външната част – няма нищо, което да ги блокира, така че ще имаш поток на вода навътре. В тази ситуация с полупропусклива мембрана ще имаш вода. Ще имаш сумарен поток на вода навътре. Това е интересно. Имаме разтворител, течащ от хипотонична ситуация към хипертонична ситуация, но е само хипотонична в разтвореното вещество. Но водата – ако го обърнеш наобратно – ако използваше захарта като разтворител, тогава можеш да кажеш, че преминаваме от висока концентрация на вода към ниска концентрация на вода. Не искам да те объркам твърде много. Това обърква хората, но просто помисли какво ще се случи. Без значение в каква ситуация, разтворът ще направи каквото може, за да опита да изравни концентрацията. За да направи концентрациите от двете страни колкото е възможно по-близки. Това не е просто някаква магия. Не е сякаш разтворът знае всичко. Базирано е на вероятности и отскачането на тези неща, но в тази ситуация е по-вероятно водата да протече в съда. Тя преминава от хипотоничната страна, когато говорим за ниска концентрация на разтвореното вещество, към страната, която има висока концентрация на разтвореното вещество, на захарта – и всъщност, ако това е разтегливо, още вода ще продължи да тече навътре и тази мембрана ще се разшири навън. Не искам да навлизам в твърде много детайли тук, но тази идея за водата – за разтворителя – ако в този случай водата е разтворителят – за водата като разтворител, дифундираща през полупропусклива мембрана, се нарича осмоза. Може да ти е познато учене чрез осмоза – ако поставиш книга до главата си, може би тя ще "протече" в главата ти. Същата идея имаме тук. Оттам идва думата. Тази идея за вода, протичаща през мембрани, за да опита да направи концентрациите по-равни. Ако кажеш, имам висока концентрация тук, ниска концентрация тук... Ако нямаше мембрана тук, тези големи молекули щяха да излязат, но понеже има полупропусклива мембрана тук, те не могат. Системата просто вероятностно – няма магия тук... повече вода ще навлезе, за да опита да изравни концентрацията. В крайна сметка – ако, може би, има няколко молекули тук – не толкова висока, колкото концентрацията тук – в крайна сметка ако на всичко му се позволеше да се случи напълно, щеше да стигнеш до момент, в който имаш точно толкова – имаш точно толкова висока концентрация от тази страна, колкото имаш от дясната страна, понеже дясната страна ще се напълни с вода, и вероятно обемът ще стане по-голям. И, после, отново, вероятността една водна молекула да отиде надясно и наляво ще е една и съща и ще получиш някакъв вид равновесие. Но също искам да поясня – дифузията е идеята за всяка частица, преминаваща от по-висока концентрация и разпространяваща се в област, която има по-ниска концентрация, и просто се разпространява. Осмозата е дифузията на вода. И обикновено, когато говориш за дифузия на вода като разтворител и обичайно е в контекста на полупропусклива мембрана, при която разтвореното вещество не може да премине през мембраната. Надявам се, че това ти беше полезно и не те обърка.