اسمز: نیروی نامرئی جریان آب در غشاها
اسمز چیست و چگونه کار میکند؟
تصور کنید یک لیوان آب دارید و به آن یک قاشق شکر اضافه میکنید. مولکولهای شکر در آب پخش میشوند و یک محلول3 میسازند. حالا اگر این لیوان را با یک غشای نیمهتراوا از لیوان دیگری که فقط آب خالص دارد جدا کنیم، اتفاق جالبی میافتد. غشای نیمهتراوا مانند یک صافی بسیار ریز است که فقط به مولکولهای کوچک (مانند آب) اجازهٔ عبور میدهد اما مولکولهای بزرگتر (مانند شکر) را نگه میدارد.
در این حالت، آب از سمتی که غلظت شکر کمتر است (آب خالص) به سمتی که غلظت شکر بیشتر است (محلول شیرین) حرکت میکند. این حرکت خودبهخودی آب، همان پدیدهٔ اسمز است. هدف طبیعت از این کار، یکسان کردن غلظت در دو طرف غشا است. به زبان ساده، آب میخواهد محلول شیرین را رقیق کند تا دو طرف غشا به تعادل برسند.
فشار اسمزی: نیروی محرکه پشت پرده
با ادامهٔ حرکت آب به سمت محلول غلیظتر، سطح آب در آن سمت بالا میرود. این ارتفاع اضافی، یک فشار ایجاد میکند که سعی دارد آب را به سمت مخالف برگرداند. به فشاری که دقیقاً جلوی ورود آب خالص به محلول را میگیرد و جریان خالص آب را صفر میکند، فشار اسمزی5 میگویند. هر چه غلظت حلشونده (مثل شکر یا نمک) بیشتر باشد، فشار اسمزی نیز بیشتر است.
این مفهوم را میتوان با فرمول سادهای نشان داد که رابطهٔ مستقیم فشار اسمزی با غلظت را بیان میکند: $\pi = iCRT$ در این فرمول:
| نماد | معنی | واحد (در سیستم SI) |
|---|---|---|
| $\pi$ | فشار اسمزی | پاسکال (Pa) |
| $i$ | ضریب وانتهوف6 (نشاندهنده تعداد ذرات حاصل از حل شدن یک مولکول) | بدون واحد |
| $C$ | غلظت مولی حلشونده | مول بر متر مکعب (mol/m³) |
| $R$ | ثابت جهانی گازها | حدود 8.314 J/(mol·K) |
| $T$ | دمای مطلق | کلوین (K) |
اسمز در دنیای سلولها: تورم و چروکیدگی
سلولهای گیاهی و جانوری همگی دارای غشای سلولی هستند که خاصیت نیمهتراوا دارد. رفتار آب در برابر این غشا، سرنوشت سلول را تعیین میکند. این رفتار بستگی به تفاوت غلظت محلول داخل و خارج سلول دارد:
| شرایط | توضیح | نتیجه بر سلول | مثال ملموس |
|---|---|---|---|
| محلول هیپوتونیک7 (غلظت خارج | آب از بیرون (رقیقتر) به داخل سلول (غلیظتر) وارد میشود. |
تورم در سلول جانوری
کشیدگی در سلول گیاهی (حالت شاداب)
|
وقتی یک برگ کاهو را در آب خالص میگذارید، آب وارد سلولهایش شده و کاهو شاداب و سفت میشود. |
| محلول هایپرتونیک8 (غلظت خارج > غلظت داخل) |
آب از داخل سلول به بیرون (محلول غلیظ) خارج میشود. |
چروکیدگی در سلول جانوری
پلاسمولیز در سلول گیاهی (پژمردگی)
|
اگر روی یک حلقهٔ پیاز، آب نمک غلیظ بریزید، آب از سلولهای پیاز خارج شده و آنها چروکیده میشوند. |
| محلول ایزوتونیک9 (غلظت خارج = غلظت داخل) |
جریان خالص آب صفر است. آب به طور مساوی وارد و خارج میشود. |
تعادل
|
محلولهای سرم فیزیولوژیکی که در بیمارستانها استفاده میشود، ایزوتونیک با خون ما هستند تا به گلبولهای قرمز آسیب نزنند. |
اسمز در خدمت انسان: از شیرینسازی آب تا نمکسنجی
انسان با درک پدیدهٔ اسمز، فناوریهای مفیدی را برای زندگی روزمره ابداع کرده است:
• اسمز معکوس10 (RO): این روش، برعکس جریان طبیعی اسمز عمل میکند. در اسمز معکوس، با اعمال فشاری بیشتر از فشار اسمزی طبیعی، آب را مجبور میکنیم از محلول غلیظتر (مثل آب دریا) به سمت آب خالص حرکت کند و نمکها و ناخالصیها را پشت غشا باقی بگذارد. این فناوری ستون فقرات دستگاههای تصفیه آب خانگی و شیرینکنندههای صنعتی آب دریا است.
• نمکسنجی (اُسمومتری): برای اندازهگیری غلظت یک محلول ناشناخته، از دستگاهی به نام نمکسنج11 استفاده میکنند. با اندازهگیری فشار اسمزی ایجاد شده توسط محلول، میتوان غلظت آن را محاسبه کرد. این روش در آزمایشگاههای پزشکی و صنایع غذایی کاربرد دارد.
• نگهداری مواد غذایی: قرار دادن میوهها در شربت غلیظ (مربا) یا گوشت در نمک، نمونهای از کاربرد اسمز در حفظ غذاهاست. محیط غلیظ بیرون، آب را از داخل سلولهای باکتریها و قارچها خارج میکند و آنها را از بین میبرد یا از رشدشان جلوگیری میکند.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
- تراوا: به همهٔ مواد اجازهٔ عبور میدهد (مثل توری درشت).
- نیمهتراوا (یا انتخابپذیر): فقط به بعضی مواد (معمولاً مولکولهای کوچک) اجازهٔ عبور میدهد. اسمز فقط در حضور این نوع غشا رخ میدهد.
- ناتراوا: به هیچ مادهای اجازهٔ عبور نمیدهد (مثل ورق پلاستیکی).
پاورقی
1 اسمز (Osmosis): از ریشهٔ یونانی به معنای "فشار" یا "رانش".
2 غشای نیمهتراوا (Semipermeable Membrane or Selectively Permeable Membrane).
3 محلول (Solution): مخلوط همگن حاصل از حل شدن یک ماده (حلشونده) در مادهٔ دیگر (حلال).
4 حلشونده (Solute): مادهای که در حلال حل میشود.
5 فشار اسمزی (Osmotic Pressure – $\pi$).
6 ضریب وانتهوف (Van't Hoff Factor – $i$).
7 محلول هیپوتونیک (Hypotonic Solution).
8 محلول هایپرتونیک (Hypertonic Solution).
9 محلول ایزوتونیک (Isotonic Solution).
10 اسمز معکوس (Reverse Osmosis – RO).
11 نمکسنج یا اُسمومتر (Osmometer).
12 انتشار (Diffusion).
