Осмоза

Да кажем, че имам съд с вода, който е разделен на две части с полупропусклива мембрана. Какво имам предвид под полупропусклива мембрана? Това означава, че част от частиците могат да преминат през нея, но други – не. Да кажем, че тази полупропусклива мембрана със сигурност позволява на водните молекули да преминат, а след малко ще кажем и какво не позволява да премине, заради което е полупропусклива. Нека помислим какво би се случило, ако имаме водни молекули от едната страна. Вече говорихме за това във видеото за дифузията. Тъй като имаме равна концентрация на водните молекули от двете страни, вероятността някоя от тези водни молекули да премине от тази страна за даден период от време е същата като вероятността някоя водна молекула да премине от дясната в лявата част за същото време, и това е така, защото имаме равни концентрации. Всички тези молекули подскачат наоколо в различни посоки, всички имат различна скорост. Те се движат с различна скорост и в различни посоки. А ние просто разсъждаваме хипотетично. Вероятността да преминат от лявата в дясната страна през някой от тези отвори е същата като вероятността да преминат от дясната в лявата страна във всеки един период от време. Да го направим интересно сега. Да приемем, че имаме воден разтвор и да разтворим във водата някакво вещество. Ще сложа няколко частици на разтвореното вещество. Ще ги направя по-големи, за да можеш да видиш, че физически е невъзможно да преминат през тези малки отвори. Има и други начини да се получат полупропускливи мембрани, като се използва заряд, за да може определени частици да преминат, а на други – не. Но по-лесно е да се представи чрез размера. Представи си мембраната като нещо, което позволява да преминават само някои частици с определен размер. Нека сложим малко от разтвореното вещество и тук, и от тази страна също. Ще нарисувам една-две частици тук, но ще направя много повече от дясната страна. Така имаме по-висока концентрация на разтвореното вещество отдясно, а това в средата е полупропускливата мембрана. Можеш да видиш дори от размера на нарисуваните дупчици, че по-големите частици няма да могат да преминат през нея. Няма да могат да дифундират. Но ако можеха да дифундират, (ако не съществуваща преградата) тогава те просто ще се придвижват по посока на концентрационния градиент и в даден момент ще има по-голям шанс някоя от големите частици да се премести от дясно наляво, отколкото от ляво надясно, защото има повече частици от дясната страна. Но тук има тази полупропусклива мембрана. Тези частици не могат да се разпространяват естествено. Всяка от тези големи частици има собствена уникална скорост. Всички имат собствена скорост. Какво мислиш, че ще се случи? Да поразсъждаваме върху проблема. Знаем, че големите частици не могат да дифундират от едната страна в другата, но какво ще се случи с водните молекули? Водните молекули от ляво няма да бъдат спрени. Щом могат да преминават от дясната страна, те ще могат да минават и от ляво надясно, или могат да се движат от ляво надясно през отворите. Но какво ще се случи с тези отдясно? При подходящо стечение на обстоятелствата в дясната страна, може би тази частица може да премине през мембраната, така че със сигурност ще имаме водни молекули, които се движат напред-назад, но бих казал, че тук отдясно имат по-малък шанс за водните молекули от дясната страна да преминат в лявата, отколкото от лявата страна да преминат надясно. Но защо е така? Защото наблюдаваме възпрепятстване, препречване на големите молекули, които пречат на водните молекули да дифундират. Тези големи ще подскачат наоколо, даже може да си представиш, че понякога ще блокират достъпа до отворите. Ако мембраната я нямаше, нямаше да блокират пътя, просто щяха да си продължат, но тъй като я има, те блокират отворите или може да рикушират в мембраната, и ако се сблъскат, може да отклонят някои водни молекули и да ги насочат в обратна посока. Така че можем да кажем, че някои от тези водни молекули ще преминават от дясно наляво, но тази възможност – от дясно наляво – е по-малка, отколкото от ляво надясно. Заради това имаме нетен приток на вода от тази част, където има по-ниска концентрация на разтвореното вещество. Спомни си – разтвореното вещество е това, което се разтваря във водата. Обикновено винаги приемаме, че разтворител е това, от което имаме повече. В този случай това е водата, и водата вероятно е най-разпространеният разтворител, а разтвореното вещество е в по-малко количество. Разтвореното вещество се разтваря в разтворителя и така имаме нетно придвижване на водните молекули от този разтвор, в който има по-ниска концентрация на разтвореното вещество, в сравнения с другия разтвор с по-висока концентрация на разтвореното вещество. Този процес се нарича осмоза. Има и други причини за осмоза. Това е нещо, което сме наблюдавали много, много пъти. Ако сложиш нещо, което обикновено се намира в прясна вода, и има ципа или мембрани, които позволяват на водата да преминава през тях, ако го поставим в солена вода... Подобно на известната история за охлювите, които не се справят добре, когато има сол, защото водата в тях прави точно това, което се случва на тази диаграма. При механизма, който тъкмо описах, молекулите не могат да преминат през мембраната, като блокират преминаването на водните молекули от дясно наляво, отблъскват ги и може би карат някои, които са вдясно, да се движат в обратната посока, когато се сблъскват в тях. Това е едното обяснение. Друга възможност е разтвореното вещество, което е във водата, да има някакъв заряд, свързан с него. Когато се замислим за обикновената трапезна сол, тя съдържа натриеви йони. Обикновената трапезна сол е натриев хлорид, но когато я сложим във вода, получаваме натриеви йони и хлоридни йони. Тези са отрицателно заредените – хлоридните, а натриевите йони са положително заредени. Тук освен това механично възпрепятстване, за което говорихме преди малко, също така е възможно, понеже тези йони имат заряд, и водната молекула има частични заряди, затова е възможно да има привличане между йоните и молекулите на водата, а когато са прикрепени към нея, не могат да преминават свободно през мембраната. Какво имам предвид с това, че водата е прикрепена към тях? Ако си представим какво представлява водната молекула – това е кислород, който има частичен отрицателен заряд, и два водородни атома – Ще го запиша така – имаме два водородни атома. Тук има частичен положителен заряд. В края, в който е кислородният атом, има отрицателен заряд, който е от другата страна на водородните атоми, и който ще привлече натриевия йон и той няма да може да премине през мембраната. Натриевият йон не може да премине. Тези молекули ще се привличат от натриевия йон. Представи си всички тези водни молекули как се прикрепват към натриевия йон, което всъщност прави по-малко вероятно те да преминат от дясно наляво, отколкото онези, които преминават от ляво надясно. Подобно на това, ако има отрицателно зареден йон като този, тогава водните молекули ще се ориентират по обратния начин, при който краищата с частично положително заредени водороди се привличат от хлоридния йон тук. Тъй като хлоридният йон не може да премине, тези молекули, които са прикрепени към него, е много по-малко вероятно да преминат. Тези молекули са по-силно привлечени от хлоридния йон или от натриевите йони, отколкото от другите водни молекули, които имат само частичен заряд. Тези имат пълен заряд, така че не могат да преминат, по-малко вероятно е и тези да преминат. Общият ефект за всички тях – ще се радвам, ако можеш да ми препоръчаш добра симулация. Може би трябва да направим една такава симулация в раздела за програмиране на Кан Академия, за да покажем, че има по-голяма вероятност водните молекули тук да преминат от ляво надясно, отколкото тези тук от дясно наляво, поради механичното възпрепятстване, когато тези големи молекули рикушират и ги блъскат в грешната посока, или защото те се придържат към големите молекули, защото те имат заряд. Това е осмозата.