فشار اسمزی: نیروی پنهان در پشت حرکت آب
اسمز چیست و چگونه رخ می‌دهد؟
برای درک فشار اسمزی، اول باید با مفهوم اسمز۲ آشنا شویم. اسمز حرکت مولکول‌های آب از طریق یک غشای نیمه‌تراوا۳ است. غشای نیمه‌تراوا مانند یک دیواره‌ی بسیار دقیق عمل می‌کند که فقط به مولکول‌های خاصی اجازه‌ی عبور می‌دهد. در اسمز، مولکول‌های آب از ناحیه‌ای که غلظت ماده‌ی حل‌شده۴ کمتر است (محلول رقیق‌تر) به ناحیه‌ای که غلظت ماده‌ی حل‌شده بیشتر است (محلول غلیظ‌تر) حرکت می‌کنند. هدف این جریان، برابر کردن غلظت دو محلول در دو طرف غشا است.
یک آزمایش ساده را تصور کنید: یک لیوان پر از آب خالص و یک لیوان پر از آب شور (آب حاوی نمک) داریم. این دو لیوان را با یک لوله‌ی بسیار باریک که فقط مولکول‌های آب می‌توانند از آن عبور کنند (شبیه غشای نیمه‌تراوا) به هم وصل می‌کنیم. پس از مدتی متوجه می‌شویم حجم آب در لیوان آب شور کمی افزایش یافته است. این اتفاق به این دلیل رخ داده که مولکول‌های آب از لیوان آب خالص به سمت لیوان آب شور حرکت کرده‌اند تا غلظت نمک در آن را کاهش دهند.
فشار اسمزی چگونه تعریف می‌شود؟
حالا به سراغ تعریف اصلی می‌رویم. فشار اسمزی دقیقاً برابر است با مقدار فشاری که باید به محلول غلیظ‌تر وارد کنیم تا از حرکت خالص آب به سمت آن جلوگیری به عمل آید و سیستم به حالت تعادل برسد. به بیان دیگر، اگر بخواهیم جریان آب به سمت محلول غلیظ‌تر را کاملاً متوقف کنیم، باید فشاری معادل فشار اسمزی به آن وارد نماییم.
در مثال لیوان‌ها، اگر روی محلول آب شور فشاری وارد کنیم که دقیقاً برابر با فشار اسمزی باشد، دیگر آبی از سمت آب خالص به آب شور جریان نخواهد یافت. این فشار، معیاری برای اندازه‌گیری «میل» محلول غلیظ برای رقیق شدن با جذب آب است.
فشار اسمزی ($\pi$) با استفاده از رابطه‌ی زیر محاسبه می‌شود: $\pi = M R T i$ که در آن:
- $M$: غلظت مولی محلول (بر حسب mol/L)
- $R$: ثابت جهانی گازها
- $T$: دمای مطلق (بر حسب کلوین)
- $i$: ضریب وانت هاف (برای مواد غیرالکترولیت مانند گلوکز برابر 1 است)
چه عواملی بر فشار اسمزی تأثیر می‌گذارند؟
مقدار فشار اسمزی یک محلول به چند عامل مهم بستگی دارد که در جدول زیر به طور خلاصه آورده شده‌اند:
| عامل مؤثر | تأثیر بر فشار اسمزی | توضیح |
|---|---|---|
| غلظت محلول | مستقیم | هرچه تعداد ذرات حل‌شده در حجم معینی از حلال بیشتر باشد، فشار اسمزی افزایش می‌یابد. محلول 1 مولار نمک فشار اسمزی بیشتری از محلول 0.5 مولار دارد. |
| دما | مستقیم | با افزایش دما، انرژی جنبشی ذرات بیشتر شده و در نتیجه فشار اسمزی نیز افزایش پیدا می‌کند. |
| نوع ماده‌ی حل‌شده | مستقیم | موادی که در آب تفکیک می‌شوند (مانند نمک خوراکی NaCl)، ذرات بیشتری ایجاد می‌کنند و فشار اسمزی بیشتری نسبت به موادی که تفکیک نمی‌شوند (مانند شکر) ایجاد می‌کنند. |
فشار اسمزی در جهان اطراف ما
فشار اسمزی تنها یک مفهوم کتاب‌درسی نیست؛ بلکه نقش بسیار مهمی در طبیعت، صنعت و بدن ما ایفا می‌کند.
در بدن موجودات زنده: غشای سلول‌های بدن ما یک غشای نیمه‌تراوا است. حفظ تعادل فشار اسمزی بین مایع داخل سلول و مایع اطراف آن برای سلامت سلول حیاتی است. اگر سلول‌های خون شما در معرض آب خالص قرار گیرند (که فشار اسمزی کمتری دارد)، آب به داخل سلول‌ها نفوذ کرده و باعث ترکیدن آن‌ها می‌شود. برعکس، اگر در معرض یک محلول بسیار غلیظ (مانند آب دریا) قرار گیرند، آب از داخل سلول خارج شده و سلول چروکیده می‌شود. به همین دلیل است که سرم‌های درمانی باید هم‌اسمز با خون باشند.
تصفیه‌ی آب (اسمز معکوس)۵: یکی از مهم‌ترین کاربردهای صنعتی فشار اسمزی، نمک‌زدایی از آب دریا است. در این روش، با اعمال فشاری بیشتر از فشار اسمزی طبیعی آب دریا به آن، جریان آب را برعکس می‌کنند. یعنی آب از سمت محلول غلیظ (آب دریا) به سمت محلول رقیق (آب خالص) مجبور به حرکت می‌کند و در نتیجه نمک‌ها و ناخالصی‌ها پشت فیلتر باقی می‌مانند و آب شیرین تولید می‌شود.
در صنایع غذایی: از فشار اسمزی برای خشک کردن میوه‌ها یا غلیظ کردن مواد غذایی مانند شیر استفاده می‌شود. قرار دادن میوه در یک محلول شکر غلیظ، آب درون میوه را به بیرون کشیده و باعث خشک شدن آن می‌شود.
پرسش‌های رایج درباره‌ی فشار اسمزی
پاسخ: خیر. اگرچه رایج‌ترین حلال، آب است، اما این پدیده برای هر حلال و ماده‌ی حل‌شده‌ای که از یک غشای نیمه‌تراوا عبور کنند، صادق است. به حرکت حلال به طور کلی «اسمز» گفته می‌شود.
پاسخ: در این حالت، هم حلال و هم ماده‌ی حل‌شده می‌توانند آزادانه عبور کنند. در نتیجه، اختلاف غلظت به تدریج از بین می‌رود اما این فرآیند «انتشار» ساده نامیده می‌شود، نه اسمز. وجود غشای نیمه‌تراوا برای رخ دادن پدیده‌ی اسمز ضروری است.
پاسخ: فشار خون، فشاری است که خون به دیواره‌ی رگ‌ها وارد می‌کند و یک فشار هیدرواستاتیک (ناشی از پمپاژ قلب) است. اما فشار اسمزی یک فشار «مولکولی» است که به دلیل اختلاف غلظت و میل به تعادل ایجاد می‌شود و مستقیماً به پمپاژ قلب مرتبط نیست.
فشار اسمزی یک نیروی بنیادی در طبیعت است که حرکت آب را در سیستم‌های زیستی و صنعتی کنترل می‌کند. درک این مفهوم که به غلظت محلول و دما وابسته است، نه تنها برای علوم پایه، بلکه برای فناوری‌های مهمی مانند تصفیه‌ی آب و پزشکی ضروری می‌باشد. از عملکرد سلول‌های بدنمان تا تولید آب شیرین از دریا، همه و همه گوشه‌ای از اهمیت این پدیده‌ی شگفت‌انگیز را به ما نشان می‌دهند.
پاورقی
۱ فشار اسمزی (Osmotic Pressure)
۲ اسمز (Osmosis)
۳ غشای نیمه‌تراوا (Semipermeable Membrane)
۴ ماده‌ی حل‌شده (Solute)
۵ اسمز معکوس (Reverse Osmosis - RO)