اسمز: نیروی پنهان حرکت آب
اسمز چیست و چگونه کار می‌کند؟
برای درک اسمز، ابتدا باید با چند مفهوم پایه آشنا شویم. یک محلول مخلوطی همگن از یک حل‌شونده (مانند نمک یا شکر) در یک حلال (مانند آب) است. به مقدار حل‌شونده در یک حجم معین از حلال، غلظت می‌گویند. حالا یک غشای نیمه‌تراوا را تصور کنید. این غشا مانند یک دروازه‌بان بسیار دقیق عمل می‌کند؛ به مولکول‌های کوچک مثل آب اجازهٔ عبور می‌دهد اما مولکول‌های بزرگ‌تر حل‌شونده را مسدود می‌کند.
وقتی دو محلول با غلظت‌های متفاوت توسط چنین غشایی از هم جدا شوند، آب از سمتی که غلظت حل‌شونده کمتر است (یعنی مولکول‌های آب بیشترند) به سمتی که غلظت حل‌شونده بیشتر است (یعنی مولکول‌های آب کمترند) حرکت می‌کند. این حرکت تا جایی ادامه می‌یابد که غلظت حل‌شونده در دو طرف غشا برابر شود. به این حالت تعادل اسمزی می‌گویند.
انواع محلول‌ها از نظر اسمزی
وقتی یک سلول در یک محلول قرار می‌گیرد، بسته به غلظت محلول بیرونی نسبت به غلظت درون سلول، یکی از سه حالت زیر رخ می‌دهد:
| نوع محیط | شرایط غلظتی | جهت حرکت آب | تأثیر بر سلول جانوری (مانند گلبول قرمز) | تأثیر بر سلول گیاهی |
|---|---|---|---|---|
| هایپوتونیک۵ | غلظت محلول بیرون سلول کمتر از درون سلول است. | به داخل سلول | سلول متورم و ممکن است بترکد (Lysis) | سلول سفت و محکم می‌شود (Turgor). حالت طبیعی و مطلوب. |
| ایزوتونیک۶ | غلظت محلول بیرون و درون سلول برابر است. | حرکت خالص آب صفر است (تعادل). | سلول شکل طبیعی خود را حفظ می‌کند. | سلول شکل طبیعی خود را حفظ می‌کند. |
| هایپرتونیک۷ | غلظت محلول بیرون سلول بیشتر از درون سلول است. | به خارج از سلول | سلول چروکیده می‌شود (Crenation) | سیتوپلاسم از دیواره سلولی جدا می‌شود (پلاسمولیز). |
فشار اسمزی و فرمول آن
حرکت آب به سمت محلول غلیظ، یک نیرو ایجاد می‌کند. به این نیرو، فشار اسمزی۸ می‌گویند. می‌توان آن را حداقل فشاری تعریف کرد که باید به محلول غلیظ وارد شود تا از ورود آب از طریق غشای نیمه‌تراوا جلوگیری کند و سیستم در حالت تعادل باقی بماند. فشار اسمزی به غلظت مولار۹ حل‌شونده و دمای محلول بستگی دارد.
که در آن:
$\Pi$ (پی): فشار اسمزی بر حسب اتمسفر (atm)
$i$: ضریب وان‌هوف (برای مواد غیرالکترولیت مانند گلوکز برابر 1 است)
$M$: غلظت مولار محلول بر حسب مول بر لیتر (mol/L)
$R$: ثابت جهانی گازها (0.0821 L.atm/(mol.K))
$T$: دمای مطلق بر حسب کلوین (K)
اسمز در زندگی روزمره و فناوری
اسمز تنها یک مفهوم کتابی نیست؛ نقش بسیار مهمی در جهان اطراف ما ایفا می‌کند.
در بدن موجودات زنده: جذب آب و مواد مغذی از خاک توسط ریشهٔ گیاهان یک نمونهٔ بارز اسمز است. در بدن انسان، کلیه‌ها از فرآیند اسمز برای تصفیهٔ خون و تولید ادرار استفاده می‌کنند. مواد مغذی نیز از دیوارهٔ روده به داخل خون بر اساس اختلاف غلظت منتقل می‌شوند.
تصفیهٔ آب (اسمز معکوس)۱۰: این فناوری پیشرفته برخلاف جهت طبیعی اسمز عمل می‌کند. در این روش، با اعمال فشار زیاد به آب شور یا آلوده (محلول غلیظ)، مولکول‌های آب را وادار می‌کنند تا از میان یک غشای بسیار ریز به سمت آب تمیز (محلول رقیق) عبور کنند، در حالی که نمک‌ها و ناخالصی‌ها پشت غشا باقی می‌مانند. از این روش برای شیرین کردن آب دریا و تولید آب آشامیدنی استفاده می‌شود.
تهیهٔ غذا: وقتی برای پختن اسپاگتی آن را در آب نمک می‌جوشانید، نمک از طریق اسمز به داخل پاستا نفوذ می‌کند و به آن طعم می‌دهد. از طرفی، نمک‌زدایی از ماهی یا گوشت نیز با قرار دادن آن در یک محیط هایپرتونیک (مانند نمک) انجام می‌شود که آب اضافی آن خارج می‌شود.
اشتباهات رایج و پرسش‌های مهم
پاورقی
۱اسمز (Osmosis): انتشار آب از یک غشای نیمه‌تراوا از ناحیه‌ای با پتانسیل آب بالا به ناحیه‌ای با پتانسیل آب پایین.
۲غشای نیمه‌تراوا (Semi-permeable Membrane): غشایی که تنها به مولکول‌های خاصی (مانند حلال) اجازهٔ عبور می‌دهد.
۳حل‌شونده (Solute): ماده‌ای که در یک حلال حل می‌شود و محلول را به وجود می‌آورد.
۴پلاسمولیز (Plasmolysis): جدا شدن سیتوپلاسم از دیوارهٔ سلولی در سلول‌های گیاهی به دلیل از دست دادن آب در یک محیط هایپرتونیک.
۵هایپوتونیک (Hypotonic): محیطی که غلظت حل‌شونده در آن کمتر از غلظت درون سلول است.
۶ایزوتونیک (Isotonic): محیطی که غلظت حل‌شونده در آن برابر با غلظت درون سلول است.
۷هایپرتونیک (Hypertonic): محیطی که غلظت حل‌شونده در آن بیشتر از غلظت درون سلول است.
۸فشار اسمزی (Osmotic Pressure): فشاری که باید به یک محلول وارد شود تا از ورود آب خالص به آن از طریق اسمز جلوگیری کند.
۹غلظت مولار (Molar Concentration): تعداد مول‌های حل‌شونده در یک لیتر از محلول.
۱۰اسمز معکوس (Reverse Osmosis - RO): فرآیندی که در آن با اعمال فشار، جهت طبیعی اسمز معکوس شده و آب خالص از آب ناخالص جدا می‌شود.