Difuze a osmóza
Voda všude kolem, a přesto ani kapka k pití. Trosečník na záchranném člunu má vyschlá ústa a zásoba pitné vody došla. Stačilo by nabrat vodu přes palubu – jenže každý doušek mořské vody by jeho žízeň ještě zhoršil. Sůl totiž ovlivní pohyb vody mezi krví a buňkami tak, že tělo nakonec ztratí více vody, než kolik jí námořník vypil.
Za tímto zdánlivým paradoxem stojí osmóza. Tentýž jev pozoroval už v 18. století francouzský fyzik Jean-Antoine Nollet při pokusech s kapalinami oddělenými živočišnou blánou. Nemohl vidět jednotlivé molekuly, zaznamenal však jejich překvapivý důsledek: voda procházela blánou a vytvářela měřitelný tlak. Osmóza tak spojuje osud trosečníka na moři s jedním z prvních pokusů, které ukázaly, že i neviditelný pohyb částic může mít velmi viditelné následky.
Krátké video v angličtině: Proč mořská voda žízeň neuhasí?
Zobrazit odpověď
Velmi slané prostředí vně buněk je hypertonické. Voda proto osmózou opouští buňky a ty se zmenšují. Ledviny navíc potřebují k odstranění nadbytečné soli další vodu, takže pití mořské vody dehydrataci prohlubuje.
Difuze
Difuze je samovolné pronikání částic jedné látky mezi částice druhé látky v důsledku jejich neuspořádaného tepelného pohybu. Probíhá v plynech, kapalinách i pevných látkách, v nich je však obvykle velmi pomalá.
Proč se koncentrace vyrovnají?
Po vyrovnání koncentrací se částice nezastaví. Nadále přecházejí oběma směry, ale průměrné počty přechodů jsou stejné. Vzniká dynamická rovnováha.
Znamená difuze vždy pohyb částic z vyšší koncentrace do nižší?
Jednotlivé částice se mohou pohybovat kterýmkoli směrem, tedy i z oblasti nižší koncentrace do oblasti vyšší. Z vyšší koncentrace do nižší směřuje výsledný tok velkého počtu částic. Toto rozlišení je podstatné.
Na čem závisí rychlost difuze?
Teplota
Při vyšší teplotě je tepelný pohyb částic intenzivnější, a difuze proto obvykle probíhá rychleji.
Prostředí
V plynech bývá difuze rychlejší než v kapalinách a mnohem rychlejší než v pevných látkách.
Velikost částic
Menší částice se za jinak stejných podmínek obvykle rozptylují rychleji než větší.
Difuzní vzdálenost
Typická vzdálenost dosažená difuzí roste přibližně s odmocninou času:
x ∼ √(Dt).Právě proto je difuze velmi účinná na mikroskopických vzdálenostech, například uvnitř buněk, ale nevhodná pro rychlý transport na vzdálenost centimetrů nebo metrů. Mnohobuněčné organismy proto potřebují proudění krve, mízy nebo jiné transportní soustavy.
Pokus: teplá a studená voda
- Připravte dvě stejné průhledné nádoby, jednu se studenou a druhou s teplejší vodou.
- Počkejte, až se voda uklidní. Do obou nádob současně kápněte stejné množství potravinářského barviva.
- Vodu nemíchejte a porovnejte rychlost rozptylování barviva.
V teplejší vodě se částice pohybují intenzivněji. Při skutečném pokusu se však může kromě difuze uplatnit také proudění způsobené rozdíly teplot a hustoty.
Osmóza
Osmóza je samovolný transport rozpouštědla přes polopropustnou membránu mezi roztoky s různým chemickým potenciálem rozpouštědla. Ve školním zjednodušení říkáme, že voda přechází z prostředí s nižší koncentrací rozpuštěných látek do prostředí s jejich vyšší koncentrací.
Polopropustná membrána propouští molekuly vody, ale nepropouští alespoň některé částice rozpuštěné látky. Právě rozdílná propustnost membrány odlišuje osmózu od prostého promíchání dvou roztoků.
Model osmózy přes membránu
Vlevo je čistá voda, vpravo cukerný roztok. Sledujte jednotlivé průchody vody membránou: probíhají oběma směry, ale ne stejně často.
Co sledovat?
- Voda projde póry membrány.
- Cukr je neprojde a zůstává napravo.
- Průchody vody nastávají v obou směrech.
- Do roztoku vpravo přechází více vody, než se vrací.
Na začátku: hladiny jsou stejné.
Zjednodušený model ukazuje výsledný tok. Molekuly ani póry membrány nejsou nakresleny ve skutečném měřítku.
Osmotický tlak
Přechod vody lze zastavit tlakem působícím na koncentrovanější roztok. Nejmenší tlak potřebný k zastavení výsledného toku rozpouštědla se nazývá osmotický tlak.
Historická zajímavost
Jean-Antoine Nollet pozoroval osmózu přes živočišnou blánu už v 18. století. Henri Dutrochet později zavedl pojmy endosmóza a exosmóza. Wilhelm Pfeffer v 19. století měřil osmotický tlak pomocí umělých polopropustných membrán a Jacobus Henricus van ’t Hoff popsal zředěné roztoky vztahem podobným stavové rovnici ideálního plynu.
Buňky v různých prostředích
Buněčná membrána je selektivně propustná. Změní-li se koncentrace rozpuštěných látek v okolí buňky, osmóza může změnit její objem.
Hypotonické prostředí
V okolí je méně rozpuštěných látek. Voda vstupuje do krvinky, která se zakulacuje a zvětšuje; může i prasknout.
Izotonické prostředí
Koncentrace je na obou stranách srovnatelná. Voda prochází oběma směry stejně často a krvinka si zachovává svůj tvar.
Hypertonické prostředí
V okolí je více rozpuštěných látek. Voda krvinku opouští a její povrch se svrašťuje.
U rostlinných buněk brání úplnému roztažení pevná buněčná stěna. Voda vstupující osmózou vytváří turgor, který pomáhá udržovat rostlinná pletiva pevná. Při nedostatku vody turgor klesá a rostlina vadne.
Pokus: gumoví medvídci
- Zvažte a změřte několik stejných gumových medvídků.
- Jeden vložte do destilované vody, druhý do koncentrovaného roztoku soli nebo cukru a jeden ponechte jako kontrolní.
- Po několika hodinách nebo následující den je osušte a znovu změřte a zvažte.
Gumová hmota tvoří síť, kterou voda může procházet. Pokus názorně ukazuje změnu objemu, ale gumový medvídek není buňka a jeho želatina není dokonalá polopropustná membrána.
Reverzní osmóza
Působíme-li na koncentrovanější roztok tlakem větším než osmotický tlak, můžeme vodu protlačit membránou opačným směrem. Tento proces se nazývá reverzní osmóza.
Odsolování vody
Membrána propouští převážně vodu a zadržuje většinu rozpuštěných iontů. Proces se používá k výrobě pitné vody z mořské nebo brakické vody.
Úprava vody
Reverzní osmóza se používá také při přípravě velmi čisté vody pro laboratoře, průmysl nebo některé domácí filtrační systémy.
Otázky a úlohy
1. Proč se vůně parfému může šířit, i když se molekuly pohybují všemi směry?
Z oblasti s vyšší koncentrací za stejnou dobu statisticky odejde více molekul, než se do ní z řidší oblasti vrátí. Výsledný tok proto směřuje k vyrovnání koncentrací.
2. Zastaví se částice po vyrovnání koncentrací?
Ne. Tepelný pohyb pokračuje a částice přecházejí oběma směry. Stejné jsou pouze průměrné toky v obou směrech.
3. Jak se změní potřebný čas, má-li difuze překonat desetkrát větší vzdálenost?
Protože typický čas roste přibližně s druhou mocninou vzdálenosti, bude potřeba přibližně 102 = 100krát delší čas.
4. Jaký je základní rozdíl mezi difuzí a osmózou?
Difuze obecně popisuje samovolné rozptylování částic. Osmóza se týká výsledného transportu rozpouštědla přes polopropustnou membránu mezi různými roztoky.
5. Proč nelze pacientovi podat do žíly destilovanou vodu?
Destilovaná voda je vůči obsahu krvinek silně hypotonická. Voda by osmózou vstupovala do krvinek, které by nabobtnaly a mohly prasknout. Infuzní roztok musí mít vhodné složení a tonicitu.
Časté omyly
- „Při difuzi se každá částice pohybuje z vyšší koncentrace do nižší.“ Jednotlivé částice se pohybují náhodně oběma směry; tímto směrem míří výsledný tok.
- „Po vyrovnání koncentrací se částice zastaví.“ Nastane dynamická rovnováha, nikoli klid.
- „Difuze je totéž co proudění.“ Difuze vzniká neuspořádaným mikroskopickým pohybem; proudění přenáší látku uspořádaným pohybem tekutiny jako celku.
- „Při osmóze se přes membránu pohybuje jen voda jedním směrem.“ Voda prochází oběma směry, ale výsledný tok může být nenulový.
- „Hypotonický roztok obsahuje málo vody.“ Ve vztahu k buňce má nižší koncentraci účinných rozpuštěných látek, a tedy relativně více volné vody.
- „Čím více vody buňka přijme, tím lépe.“ Živočišná buňka může v silně hypotonickém prostředí prasknout.
Metodická poznámka pro učitele
V modelu difuze se částice pohybují stejným náhodným mechanismem před i po vyrovnání koncentrací. Doporučuje se sledovat okamžité počty na obou stranách: ani v rovnováze nejsou trvale přesně stejné, ale kolísají kolem stejné střední hodnoty. U osmózy je školní formulace „voda jde k vyšší koncentraci rozpuštěné látky“ užitečná, ale je vhodné doplnit, že obecnější popis používá chemický potenciál vody a že tonicita závisí na látkách, které membránou účinně neprocházejí.
Česko-anglický slovníček
- difuze
- diffusion
- koncentrace
- concentration
- koncentrační rozdíl
- concentration difference
- výsledný tok
- net flux
- dynamická rovnováha
- dynamic equilibrium
- difuzní koeficient
- diffusion coefficient
- osmóza
- osmosis
- rozpouštědlo
- solvent
- rozpuštěná látka
- solute
- polopropustná membrána
- semipermeable membrane
- osmotický tlak
- osmotic pressure
- hypotonické prostředí
- hypotonic environment
- izotonické prostředí
- isotonic environment
- hypertonické prostředí
- hypertonic environment
- turgor
- turgor pressure
- reverzní osmóza
- reverse osmosis