การแพร่กระจายคืออะไร?

การแพร่กระจายของอะตอมและโมเลกุลในตัวกลางหนึ่งๆ ไม่ว่าจะเป็นก๊าซ ของเหลว หรือของแข็ง เป็นกระบวนการทางกายภาพที่มีแนวโน้มว่าจะมีการเคลื่อนตัวของอนุภาคเหล่านี้ภายในตัวกลางจากที่ที่มีความเข้มข้นสูงกว่าไปยังอีกที่หนึ่งโดยที่ ความเข้มข้นจะลดลงจนกระทั่งความเข้มข้นเท่ากันทั่วทั้งตัวกลาง การเปลี่ยนแปลงเชิงพื้นที่ของความเข้มข้นในตัวกลางบางชนิดเรียกว่าการไล่ระดับความเข้มข้น การแพร่กระจายเกี่ยวข้องกับการไล่ระดับความเข้มข้นเหล่านี้และอุณหภูมิของตัวกลาง

การแพร่กระจายเกิดขึ้นได้อย่างไร?

การแพร่เกิดจากการเคลื่อนที่ของอะตอมและโมเลกุลที่เกี่ยวข้องกับอุณหภูมิ ในแก๊ส อุณหภูมิเกี่ยวข้องกับพลังงานจลน์ของอนุภาค ซึ่งเป็นพลังงานที่อะตอมและโมเลกุลของแก๊สเคลื่อนที่ ในของแข็ง เช่น ผลึก อุณหภูมิสัมพันธ์กับพลังงานที่อะตอมและโมเลกุลสั่นในโครงสร้างผลึกนั้น

ความคิดของการแพร่กระจายสามารถมองเห็นได้ชัดเจนในก๊าซ การเคลื่อนที่แบบสุ่มในทุกทิศทางของอะตอมและโมเลกุลในส่วนผสมของก๊าซด้วยความเร็วสูง ทำให้เกิดส่วนผสมของพวกมัน ทำให้เกิดการไหลของอนุภาคสุทธิจากจุดหนึ่งที่มีความเข้มข้นสูงกว่าไปยังอีกจุดหนึ่งที่มีความเข้มข้นต่ำกว่า

รูปต่อไปนี้แสดงโครงร่างที่ช่วยให้เข้าใจแนวคิดของการแพร่กระจาย ในกล่องแรกมีก๊าซสองชนิดคั่นด้วยพาร์ติชัน: พาร์ติชันถูกเอาออกและคุณมีสื่อที่มีความเข้มข้นของก๊าซตัวใดตัวหนึ่งเป็น 0 ที่อีกด้านหนึ่งของตำแหน่งที่ตั้งของพาร์ติชัน การเคลื่อนที่แบบสุ่มของอนุภาค (เส้นสีแดงแสดงถึงการเคลื่อนที่ของหนึ่งในอนุภาคสีเทา) ทำให้มีการกระจัดสุทธิของอนุภาคสีเทาไปยังพื้นที่ของอนุภาคสีดำและในทางกลับกัน ในที่สุด ในกรอบที่ 3 ความเข้มข้นของอนุภาคทั้งสองจะเท่ากันทั่วทั้งตัวกลาง และไม่มีการสังเกตการกระจัดสุทธิของอนุภาคอีกต่อไป แม้ว่าข้อเท็จจริงที่ว่าอนุภาคทั้งหมดจะเคลื่อนที่แบบสุ่มก็ตาม

ความเร็วการแพร่กระจาย นั่นคือ ความเร็วที่สังเกตการถ่ายโอนสุทธิของอนุภาคจากที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่งในตัวกลาง จะยิ่งสูงขึ้น อุณหภูมิที่สูงขึ้น นั่นคือพลังงานที่ขับเคลื่อนปรากฏการณ์ทางกายภาพนี้ก็ยิ่งมากขึ้นเท่านั้น และยังจะเพิ่มความแตกต่างของความเข้มข้นให้มากขึ้นอีกด้วย ความเร็วของการแพร่กระจายยังขึ้นอยู่กับมวลของอนุภาค และ ในกรณีของของไหล ปัจจัยที่แสดงร่วมกับอุณหภูมิในของไหลเรียกว่าสัมประสิทธิ์การแพร่ D ในกรณีของของไหล ปรากฏการณ์ทางกายภาพนี้แสดงโดยกฎสองข้อของ Fick

การแพร่เป็นกระบวนการทางกายภาพที่ไม่ต้องการพลังงานเพิ่มเติม เนื่องจากเกี่ยวข้องกับพลังงานความร้อนที่ตัวกลางมีอยู่แล้ว ซึ่งแสดงโดยอุณหภูมิ เป็นลักษณะพื้นฐานของกลไกทางกายภาพนี้ เนื่องจากการแพร่เป็นส่วนหนึ่งของกระบวนการทางธรรมชาติหลายอย่าง เช่น การแพร่ของตัวถูกละลาย ของเหลว และก๊าซผ่านเยื่อหุ้มเซลล์

ออสโมซิส

ออสโมซิสหรือออสโมซิสคือการแพร่ผ่านเมมเบรนกึ่งซึมผ่านได้: พาร์ติชันที่มีรูขนาดเล็กมากตามลำดับไมโครเมตร ซึ่งช่วยให้สามารถเลือกทางเดินของโมเลกุลตามขนาดของโมเลกุลได้ ดังรูปต่อไปนี้: โมเลกุลสีน้ำเงินซึ่งเป็นน้ำสามารถผ่านรูในเมมเบรนได้ แต่โมเลกุลสีเขียวซึ่งเป็นตัวถูกละลาย เช่น น้ำตาล ไม่สามารถผ่านได้

การมีอยู่ของตัวถูกละลายที่ไม่สามารถข้ามเยื่อหุ้มได้ ซึ่งก็คือโมเลกุลของน้ำตาล (สีเขียว) ทำให้เกิดแนวโน้มของโมเลกุลที่สามารถข้ามผ่านได้ ซึ่งก็คือโมเลกุลของน้ำ (สีน้ำเงิน) ให้เคลื่อนที่ไปในทิศทางของเมมเบรน . วิธีการแก้ปัญหาตามลูกศรสีชมพูเพื่อพยายามทำให้ความเข้มข้นเท่ากันทั้งสองด้านของเมมเบรน ในรูปไม่มีตัวถูกละลายในคิวเวตต์ด้านซ้าย แต่กระบวนการนี้ยังคงใช้ได้เมื่อมีสารละลายที่มีความเข้มข้นต่างกันบนทั้งสองด้านของเมมเบรน ในกรณีนี้ เราจะมีสารละลายไฮโปโทนิกในตัวละลายที่มีความเข้มข้นต่ำและสารละลายไฮเปอร์โทนิกในตัวละลายที่มีความเข้มข้นสูง

แนวโน้มของโมเลกุลของน้ำที่จะผ่านไปยังแอ่งน้ำที่มีความเข้มข้นสูงกว่านี้จะสร้างแรงดันในทิศทางนั้น ซึ่งเรียกว่าแรงดันออสโมติก เมื่อการผ่านของโมเลกุลของน้ำทำให้ความเข้มข้นเท่ากันในคิวเวตทั้งสองจะได้สารละลายไอโซโทนิก แม้ว่าโมเลกุลของน้ำจะยังคงผ่านเยื่อหุ้มเซลล์ต่อไป ก็ไม่มีแนวโน้มที่ชัดเจนในทิศทางใดทิศทางหนึ่ง

หากวางสารละลายทั้งสองไว้ในหลอดเปิดดังที่แสดงในรูปต่อไปนี้ เราจะเห็นว่าแขนงที่มีสารละลายเข้มข้นสูงสุดจะสูงขึ้นเมื่อเทียบกับอีกอันหนึ่ง นี่เป็นเพราะแรงดันออสโมติกในเมมเบรน

หากอยู่ในระบบเช่นเดียวกับที่อธิบายไว้ในแผนผังในรูปที่แล้ว สารละลายที่มีความเข้มข้นสูงสุดอยู่ภายใต้แรงดันที่กระทำต่อแรงดันออสโมติก การไหลของน้ำสุทธิสามารถผ่านเมมเบรนในทิศทางของแรงดันออสโมติก . สาขาเข้มข้นน้อย. สามารถเข้าใจได้ว่าเป็นกระบวนการย้อนกลับสู่ออสโมซิส ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมจึงเรียกว่ารีเวิร์สออสโมซิส กระบวนการนี้ใช้ในกลไกการทำน้ำให้บริสุทธิ์

ตัวอย่างของการแพร่กระจายในกระบวนการทางธรรมชาติ

หนึ่งในกระบวนการพื้นฐานสำหรับชีวิตคือการหายใจ กระบวนการที่เกี่ยวข้องกับการหายใจรวมถึงการแพร่ของก๊าซ การแพร่ของออกซิเจนในเลือด และการกำจัดก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ ซึ่งเกิดขึ้นจากการแพร่เช่นกัน ในปอด คาร์บอนไดออกไซด์จะแพร่ออกจากเลือดไปสู่อากาศที่หายใจออก ซึ่งเป็นกระบวนการที่เกิดขึ้นในถุงลมปอด หลังจากกำจัดคาร์บอนไดออกไซด์ออกแล้ว เซลล์เม็ดเลือดแดงจะรับเอาออกซิเจนที่แพร่จากอากาศเข้าสู่กระแสเลือด

ในเซลล์เกิดการแลกเปลี่ยนย้อนกลับ: คาร์บอนไดออกไซด์และของเสียจากกระบวนการของเซลล์จะแพร่ออกจากเซลล์ของเนื้อเยื่อเข้าสู่กระแสเลือด ในขณะที่ออกซิเจน กลูโคส และสารอาหารอื่นๆ จากเลือดจะแพร่เข้าสู่เนื้อเยื่อ กระบวนการแพร่เหล่านี้เกิดขึ้นในหลอดเลือดฝอยของระบบหมุนเวียนโลหิต

กลไกการแพร่กระจายที่เกี่ยวข้องกับกระบวนการต่าง ๆ ยังสังเกตได้ในเซลล์และเนื้อเยื่อของพืช การสังเคราะห์ด้วยแสงที่เกิดขึ้นในใบพืชเกี่ยวข้องกับการแพร่กระจายของก๊าซ: คาร์บอนไดออกไซด์จากอากาศและพลังงานแสงอาทิตย์จะเปลี่ยนเป็นกลูโคสและออกซิเจน ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์จะแพร่จากอากาศเข้าสู่ใบผ่านทางช่องเล็ก ๆ ที่เรียกว่าปากใบ และออกซิเจนที่เกิดจากการสังเคราะห์ด้วยแสงจะแพร่จากใบสู่อากาศผ่านทางปากใบด้วย

การแพร่ของโมเลกุลขนาดใหญ่ เช่น กลูโคส ผ่านเยื่อหุ้มเซลล์ เกิดขึ้นผ่านสิ่งที่เรียกว่าการแพร่แบบอำนวยความสะดวก โมเลกุลเหล่านี้ผ่านเยื่อหุ้มเซลล์ด้วยความช่วยเหลือของโปรตีนพาหะ ซึ่งเป็นช่องโปรตีนที่ฝังอยู่ในเยื่อหุ้มเซลล์ซึ่งเป็นตัวแทนของช่องเปิดที่อนุญาตให้โมเลกุลที่มีขนาดและรูปร่างบางอย่างผ่านเข้าไปได้ กระบวนการแพร่แบบอำนวยความสะดวกนั้นไม่ต้องการพลังงานเพิ่มเติม ดังนั้นจึงถือว่าเป็นการขนส่งแบบพาสซีฟ เช่นเดียวกับการแพร่กระจายโดยตรง

กลไกออสโมติกสามารถพบได้ในกระบวนการดูดกลับของน้ำในท่อของไตและในการดูดซึมกลับของของเหลวในเส้นเลือดฝอยของเนื้อเยื่อ การรวมตัวของน้ำในรากของพืชเกิดจากกระบวนการออสโมซิส ซึ่งเป็นกระบวนการที่สำคัญมากเช่นกันสำหรับความเสถียรของน้ำ เมื่อพืชเหี่ยวเฉาเป็นเพราะขาดน้ำในแวคิวโอล แวคิวโอลยึดโครงสร้างพืชให้แข็งโดยการกักน้ำและออกแรงดันออสโมติกผ่านเยื่อหุ้มเซลล์

แหล่งที่มา

Bokshtein, BS Mendelev, MI Srolovitz, บรรณาธิการดีเจ อุณหพลศาสตร์และจลนพลศาสตร์ในวัสดุศาสตร์: หลักสูตรระยะสั้น . อุณหพลศาสตร์และจลนพลศาสตร์ในวัสดุศาสตร์: หลักสูตรระยะสั้น สำนักพิมพ์มหาวิทยาลัยอ็อกซ์ฟอร์ด, อ็อกซ์ฟอร์ด, 2548

Philibert, J. หนึ่งศตวรรษครึ่งของการแพร่กระจาย: Fick, Einstein, ก่อนและหลัง . ความรู้พื้นฐานการแพร่กระจาย 2, 2548