Khuếch Tán | Sổ Tay Hằng định Nội Môi

I. CHUYỂN ĐỘNG NHIỆT:

Năm 1827, nhà sinh vật học người Anh BROWN, trong khi quan sát các hạt phấn hoa lơ lửng trong một chất lỏng dưới kính hiển vi đã nhận thấy chúng chuyển động hỗn loạn và không ngừng. Hiện tượng này về sau được mang tên ông, đó là chuyển động BROWN.

Đến năm 1905, Einstein đã chứng minh: chuyển động Brown thực chất là chuyển động nhiệt của các phân tử chất lỏng. Các phân tử chất lỏng khi chuyển động đã va chạm vào các hạt phấn hoa. Tất cả các xung lực mà các phân tử chất lỏng tác động vào các hạt phấn hoa theo mọi hướng không triệt tiêu nhau, vì thế các hạt phấn hoa sẽ di chuyển dưới tác động của tổng các xung lực đó. Do tính chất hỗn loạn của các phân tử chất lỏng, tổng các xung lực không những thay đổi về độ lớn mà còn thay đổi về hướng tác dụng. Do đó quỹ đạo của các hạt phấn hoa là một đường gấp khúc.

Nhiều thí nghiệm sau này đã chứng minh rằng tất cả các phân tử của mọi chất đều chuyển động hỗn loạn không ngừng gọi là chuyển động nhiệt. Nhiệt độ càng cao thì động năng các phân tử càng lớn và vận tốc chuyển động của các phân tử càng tăng. Chuyển động chỉ ngừng lại ở nhiệt độ không tuyệt đối (-273oC).

Các phân tử vật chất luôn luôn tương tác (hút và đẩy) lẫn nhau. Lực tương tác giữa hai phân tử tùy thuộc khoảng cách giữa hai phân tử đó. Khoảng cách càng ngắn thì lực hút càng giảm, lực đẩy càng tăng. Tính chất hỗn loạn của chuyển động phân tử tùy thuộc độ lớn của lực tương tác.

Ở trạng thái khí, các phân tử có khoảng cách tương đối lớn, do đó lực tương tác giữa chúng không đáng kể, vận tốc trung bình của chúng khoảng 500m/giây, nhưng do quá trình va chạm giữa các phân tử, vận tốc của các phân tử chất khí chậm hơn và luôn luôn thay đổi phương chuyển động, nghĩa là chuyển động theo một quỹ đạo gấp khúc. Mặc dù các phân tử đều thay đổi tốc độ và phương chuyển động, động năng trung bình của các phân tử chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ và được xác định bằng công thức:

Công thức tính động năng trung bình của phân tử

Theo thuyết Frenkel, các phân tử chất lỏng cũng dao động quanh vị trí cân bằng, nhưng chúng không gắn bó vĩnh viễn với vị trí ấy mà thỉnh thoảng thay đổi vị trí cân bằng từ vị trí này sang vị trí khác.

Các phân tử chất rắn có lực tương tác lẫn nhau rất lớn. Lực tương tác này “buộc các phân tử lại” nên hầu như chúng chỉ “di chuyển tại chỗ”, nghĩa là dao động quanh vị trí cân bằng của chúng.

 II. HIỆN TƯỢNG KHUẾCH TÁN:

Bây giờ ta làm quen với một hiện tượng mới, trước khi đi sâu vào thế giới vi mô trong cơ thể con người, mà chúng ta sẽ bàn kỹ hơn trong chương sau.

Trước hết, ta tiến hành một thí nghiệm đơn giản: cho chất hòa tan A vào một góc của bình đựng dung môi B. Đầu tiên, các phân tử A chỉ tập trung tại vị trí ban đầu của nó. Một thời gian sau, ta thấy các phân tử A đã phân bố đều đặn trong toàn bộ thể tích bình, xen kẽ giữa các phân tử dung môi B, tạo thành một dạng vật chất mới mà ta gọi là pha (phase) đồng nhất. Pha đồng nhất gồm các phân tử A và B gọi là dung dịch. Hiện tượng mà trong đó các phân tử A từ vị trí tập trung ban đầu chuyển sang phân bố đều đặn trong dung môi B để tạo thành dung dịch gọi là hiện tượng khuếch tán.

Bản chất của hiện tượng khuếch tán thực ra là chuyển động nhiệt của các phân tử A. Các phân tử A, trong quá trình di chuyển, đã “vô tình” phân bố đều đặn trong khoảng không gian cho trước là bình chứa, trong một khoảng thời gian dài hay ngắn tùy thuộc vào động năng trung bình của phân tử A là lớn hay nhỏ.

Như vậy, chuyển động liên tục của các phân tử trong dung dịch hay chất khí gọi là sự khuếch tán.

Bây giờ lập lại thí nghiệm trên, nhưng trước khi cho chất A vào bình, ta ngăn bình làm đôi bởi một tấm kim loại có đục những lỗ nhỏ và cho chất A vào một ngăn, giả sử bên trái. Lúc này ta quan sát tại mặt cắt giữa hai ngăn, tức là vị trí tấm kim loại. Một thời gian sau, các phân tử A bắt đầu di chuyển sang ngăn bên phải, qua các lỗ. Số lượng các phân tử A từ ngăn trái sang phải ngày càng tăng. Lúc này ta nói chiều khuếch tán của các phân tử A theo hướng từ trái sang phải.

Trở lại thí nghiệm đầu, nhưng ta cho chất A vào cả hai ngăn với khối lượng khác nhau. Như vậy ta đã tạo ra nồng độ ban đầu khác nhau của chất A giữa hai ngăn. Tại mặt cắt giữa hai ngăn, ta nhận thấy: trong một đơn vị thời gian, số lượng các phân tử A từ ngăn có nồng độ cao sang ngăn có nồng độ thấp lớn hơn số lượng các phân tử A từ ngăn có nồng độ thấp sang ngăn có nồng độ cao. Tốc độ khuếch tán thực sẽ có hướng từ ngăn có nồng độ ban đầu cao sang ngăn có nồng độ thấp. Độ lớn của tốc độ khuếch tán thực tỉ lệ thuận với độ chênh lệch nồng độ ban đầu giữa hai ngăn.

Tốc độ khuếch tán thức: Hình a- nồng độ dung dịch trong ngăn 1 bằng ngăn 2 (1M). Trong một đơn vị thời gian, số lượng các phân tử từ ngăn 1 sang ngăn 2 bằng số lượng các phân tử từ ngăn 2 sang ngăn 1. Tốc độ khuếch tán thực bằng zero. Hình b- nồng độ dung dịch trong ngăn 1 (2M) lớm hơn nồng độ dung dịch trong ngăn 2 (1M). Trong một đơn vị thời gian, số lượng các phân tử từ ngăn 1 sang ngăn 2 lớn hơn số lượng các phân tử từ ngăn 2 sang ngăn 1. Tốc độ khuếch tán thực hướng từ ngăn 1 sang ngăn 2.

Cuối cùng, tại trạng thái cân bằng, nồng độ các phân tử chất A trong hai ngăn bằng nhau, tốc độ khuếch tán thực bằng không, nghĩa là trong một đơn vị thời gian, số lượng các phân tử A di chuyển từ ngăn trái sang ngăn phải bằng số lượng các phân tử A di chuyển từ ngăn phải sang trái.

Từ các thí nghiệm trên ta thấy:

(1) Độ chênh lệch về nồng độ giữa hai ngăn càng lớn thì tốc độ khuếch tán thực càng lớn.

(2) Phân tử A càng nhỏ, chuyển động phân tử càng nhanh, tốc độ khuếch tán thực càng lớn.

(3) Nhiệt độ càng cao, tốc độ chuyển động của các phân tử càng lớn, tốc độ khuếch tán thực càng lớn.

Như vậy ta có công thức sau:

Công thức tính tốc độ khuếch tán

III. HIỆN TƯỢNG THẨM THẤU – ÁP SUẤT THẨM THẤU:

Giả sử ta có một bình đựng một dung dịch gồm chất A hòa tan trong dung môi B, ta gọi dung dịch này là AB. Trong dung dịch AB, các phân tử A phân bố đều đặn giữa các phân tử B và cách xa nhau, nên tập hợp các phân tử A trong dung dịch AB có thể xem như một tập hợp khí. Các phân tử A chuyển động sẽ đập vào thành bình chứa tạo áp suất P0. Mặt khác các phân tử của dung dịch AB cũng tác động vào thành bình với áp suất P. P0 là áp suất riêng phần của A trong dung dịch AB. Chính áp suất này gây ra hiện tượng thẩm thấu nên gọi là áp suất thẩm thấu.

Bây giờ ta tiến hành một thí nghiệm mới với một ống hình chữ U. Ở phần đáy ống, ta ngăn cách hai nhánh bằng một màng bán thấm.

Màng bán thấm là màng chỉ cho các phân tử dung môi đi qua mà không cho các phân tử chất hòa tan đi qua.

Tiếp theo, ta cho dung dịch AB vào nhánh trái của ống, cho dung môi B vào nhánh phải của ống (với cùng một thể tích). Như vậy ban đầu mức dịch trong hai nhánh của ống là ngang nhau. Ở phía bên trái màng bán thấm, các phân tử A và B tác động lên màng một áp suất P, trong khi ở phía bên phải màng, chỉ có các phân tử B nên tác động lên màng một áp suất nhỏ hơn (P – P0) (P0 là áp suất riêng phần của A trong dung dịch AB).

Mặt khác, do tính chất bán thấm, chỉ có các phân tử B qua lại tự do hai bên màng, trong khi các phân tử A vẫn chỉ ở phía trái của màng. Kết quả là các phân tử B sẽ có tốc độ khuếch tán thực hướng từ phải sang trái. Mức dịch trong nhánh trái của ống dâng cao dần đến một lúc nào đó thì ngưng lại. Trạng thái này gọi là trạng thái cân bằng. Tại trạng thái cân bằng, áp suất tác động lên hai mặt của màng bán thấm bằng nhau, và tốc độ khuếch tán thực của các phân tử B qua màng bằng không.

Như vậy chính sự hiện diện của các phân tử A với áp suất riêng phần P0 đã gây ra hiện tượng khuếch tán thực của phân tử B, làm cho mức dịch trong nhánh trái dâng lên. Nếu thiết diện của ống đủ nhỏ để áp suất phụ gây nên bởi mặt thoáng của dung dịch là không đáng kể, thì áp suất thủy tĩnh của cột dung dịch nâng cao thêm bằng áp suất riêng phần P­0 và bằng áp suất thẩm thấu của dung dịch AB.

Hiện tượng thẩm thấu- Trạng thái ban đầu (hình trái): hai nhánh ống chữ u chứa một số lượng bằng nhau của hai loại dung dịch có cùng một dung môi nhưng có nồng độ chất hòa tan khác nhau, nhánh trái có nồng độ chất hòa tan cao hơn nhánh phải. Hai nhánh ngăn cách nhau bởi màng bán thấm có tác dụng chỉ cho các phân tử dung môi di chuyển qua lại. Trạng thái cân bằng: mức dịch trong nhánh trái cao hơn nhánh phải.

Hiện tượng mà các phân tử dung môi di chuyển qua một màng bán thấm do sự chênh lệch về nồng độ của chất hòa tan gọi là hiện tượng thẩm thấu.

Áp suất thẩm thấu của một dung dịch là áp suất phải tác động lên dung dịch đó để hiện tượng thẩm thấu ngừng lại.

Vì ta xem các phân tử hòa tan A trong dung dịch AB là một tập hợp khí, và tập hợp các phân tử A đã tạo nên áp suất thẩm thấu của dung dịch, nên áp suất này phải tuân theo phương trình Clapeyron Mendeleev (phương trình trạng thái của khí lý tưởng):

Phương trình Clapeyron Mendeleev

Để ý công thức trên ta thấy rằng:

(1) Ở nhiệt độ không tuyệt đối, tất cả các phân tử đều ngừng chuyển động, áp suất thẩm thấu bằng không.

(2) Gọi  là nồng độ của A trong dung dịch, dung dịch càng pha loãng (C càng nhỏ) thì áp suất thẩm thấu càng thấp.

(3) Chia M cho µ ta được số mol của A.

Như vậy, với một thể tích V đã cho trước, độ lớn của áp suất thẩm thấu không phụ thuộc vào bản chất mà phụ thuộc vào số mol của chất hòa tan.

Thật vậy, trong dung dịch, các phân tử có cùng một động năng. Trọng lượng phân tử của nó càng lớn thì vận tốc của nó càng giảm, do đó động năng trung bình của nó không thay đổi.

Để nhấn mạnh vai trò số lượng các phân tử đối với hiện tượng thẩm thấu, người ta đưa ra một khái niệm đo lường khác của hiện tượng thẩm thấu gọi là nồng độ thẩm thấu, với đơn vị là osmol. Dung dịch có 100 mol một chất hòa tan trong một lít sẽ có nồng độ thẩm thấu là 100 osmol/L.

Nên nhớ rằng: 1 mol = 1000 mmol

Và 1 osmol = 1000 mosmol

Dung dịch có nồng độ mol chất hòa tan càng lớn thì nồng độ thẩm thấu của nó càng lớn. Một dung dịch có nồng độ thẩm thấu lớn hơn dung dịch khác, ta nói dung dịch đầu ưu trương hơn hay dung dịch sau nhược trương hơn.

Khi cho hai dung dịch có nồng độ thẩm thấu khác nhau ngăn cách nhau bởi màng bán thấm. Các phân tử dung môi sẽ có hướng khuếch tán thực từ dung dịch nhược trương sang dung dịch ưu trương.

Read Full Post »