انتشار ساده: سفر مولکولها از خانهٔ شلوغ به خانهٔ خلوت!
انتشار ساده چیست و چگونه کار میکند؟
تصور کنید در یک اتاق کوچک و شلوغ پر از آدم هستید. اگر درِ اتاق باز شود، مردم به طور طبیعی به سمت راهروی خلوتتر حرکت میکنند تا فضای بیشتری داشته باشند. انتشار ساده در سطح مولکولی دقیقاً شبیه به این اتفاق است. مولکولهای یک ماده (مثلاً عطر در هوا یا قند در آب) همیشه در حرکت تصادفی هستند. وقتی در یک ناحیه تعداد زیادی از این مولکولها جمع شوند (غلظت بالا)، برخوردهای بیشتری بین آنها رخ میدهد. این برخوردها باعث میشود که آنها به تدریج از هم فاصله بگیرند و به نواحیای که مولکولهای کمتری دارند (غلظت پایین) پخش شوند. این حرکت آنقدر ادامه مییابد تا مولکولها به طور یکنواخت در تمام فضا توزیع شوند که به آن تعادل۳ میگویند.
$ J = -D \frac{\Delta C}{\Delta X} $
که در آن: $ J $ نرخ انتشار، $ D $ ضریب انتشار، $ \Delta C $ اختلاف غلظت و $ \Delta X $ فاصله است. علامت منفی نشاندهنده حرکت از غلظت بالا به پایین است.
عوامل مؤثر بر سرعت انتشار
سرعت پخش شدن مولکولها همیشه یکسان نیست و به چند عامل مهم بستگی دارد:
- دما: با افزایش دما، انرژی جنبشی۴ مولکولها بیشتر شده و سریعتر حرکت میکنند. در نتیجه انتشار با سرعت بیشتری انجام میشود. به همین دلیل است که بوی غذای داغ خیلی سریعتر از غذای سرد در فضا پخش میشود.
- جرم مولکولی: مولکولهای سنگینتر (با جرم بیشتر) کندتر از مولکولهای سبکتر حرکت میکنند. به عنوان مثال، مولکول گاز هیدروژن ($ H_2 $) بسیار سریعتر از مولکول اکسیژن ($ O_2 $) منتشر میشود.
- مساحت سطح: هرچه سطح تماس بین دو ناحیه با غلظتهای مختلف بزرگتر باشد، مولکولهای بیشتری میتوانند در واحد زمان از آن عبور کنند و انتشار سریعتر خواهد بود.
- مسافت: مولکولها برای پیمودن مسافتهای کوتاه، زمان کمتری نیاز دارند. بنابراین انتشار در فواصل کوتاه بسیار سریعتر از فواصل طولانی رخ میدهد.
| ماده | حالت فیزیکی | سرعت انتشار نسبی |
|---|---|---|
| هیدروژن ($ H_2 $) | گاز | بسیار سریع |
| اکسیژن ($ O_2 $) | گاز | سریع |
| قند در آب | مایع (محلول) | کند |
| رنگ در ژله | جامد | بسیار کند |
انتشار ساده در جهان زنده و غیرزنده
این پدیده تنها محدود به آزمایشگاه نیست؛ بلکه در هر لحظه در اطراف ما و حتی درون بدنمان در جریان است.
مثالهای غیرزنده:
- پخش شدن بوی غذا یا عطر در هوا.
- پخش شدن یک قطره رنگ خوراکی در یک لیوان آب بدون نیاز به هم زدن.
- خنک شدن یک فنجان چای داغ. گرما (انرژی گرمایی) از ناحیه داغ (چای) به ناحیه سرد (هوا) منتشر میشود.
مثالهای زیستی (در موجودات زنده):
- تنفس: مهمترین مثال است. اکسیژن از هوای درون ریه (که غلظت اکسیژن بالا است) به داخل خون (که غلظت اکسیژن پایینتر است) منتشر میشود. برعکس، دیاکسید کربن از خون (غلظت بالا) به داخل ریه (غلظت پایین) منتشر شده و سپس بیرون داده میشود.
- تغذیه سلولها: مواد مغذی مانند گلوکز از خون (غلظت بالا) به داخل سلولهای بدن (غلظت پایینتر) منتشر میشوند.
- گیاهان: در فتوسنتز، دیاکسید کربن از طریق روزنههای برگ وارد گیاه میشود. همچنین، بخار آب از طریق همان روزنهها از گیاه خارج میشود (تعریق).
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
بله، کاملاً! این دو فرآیند اصلیترین روشهای انتقال مواد در سلول هستند اما با هم فرق دارند. در انتشار ساده، حرکت مواد از غلظت بالا به پایین است و انرژی مصرف نمیشود. اما در انتقال فعال، سلول میتواند مواد را خلاف جهت شیب غلظت (از پایین به بالا) حرکت دهد و برای این کار باید انرژی مصرف کند (مثل استفاده از ATP).
خیر. غشای سلول مانند یک نگهبان انتخابی عمل میکند. فقط مولکولهای کوچک و غیرباردار (مانند اکسیژن و دیاکسید کربن) و همچنین مولکولهای چربیدوست میتوانند به راحتی از طریق انتشار ساده از غشا عبور کنند. مولکولهای بزرگ یا باردار (مانند یونها و گلوکز) معمولاً به کمک پروتئینهای خاصی از غشا عبور میکنند که به آن انتشار تسهیل شده۶ میگویند.
خیر، در جامدات نیز امکانپذیر است، اگرچه سرعت آن بسیار کندتر است. یک مثال کلاسیک، پخش شدن اتمهای مختلف در یک فلز دیگر در دمای بالا برای ساخت آلیاژهای یکنواخت است. مثال سادهتر، پخش شدن رنگ در یک قالب ژله قبل از سفت شدن کامل آن است.
پاورقی
۱ فرآیند فیزیکی (Physical Process): به رویدادی گفته میشود که در آن ماده تغییر شیمیایی نمیکند و فقط حالت یا مکان آن عوض میشود.
۲ غلظت (Concentration): به مقدار مادهای که در یک حجم معین حل یا پراکنده شده است، گفته میشود.
۳ تعادل (Equilibrium): حالتی که در آن مولکولها به طور یکنواخت پخش شدهاند و حرکت خالصی از یک سمت به سمت دیگر وجود ندارد.
۴ انرژی جنبشی (Kinetic Energy): انرژیای که یک جسم به دلیل حرکت خود دارد.
۵ انتقال فعال (Active Transport): جابهجایی مواد برخلاف گرادیان غلظت که با مصرف انرژی (ATP) همراه است.
۶ انتشار تسهیل شده (Facilitated Diffusion): حرکت مواد از غلظت بالا به پایین با کمک پروتئینهای ناقل در غشای سلول، بدون مصرف انرژی.
