12.7: Matukio ya Usafiri wa Masi- Kutenganishwa, Osmosis, na Michakato inayohusiana
- Page ID
- 182964
Malengo ya kujifunza
Matukio ya Usafiri wa Masi: Utbredningen, Osmosis, na U
- Eleza utbredningen, osmosis, dialysis, na usafiri wa kazi.
- Tumia viwango vya kutenganishwa.
Utangazaji
Kuna kitu cha samaki kuhusu mchemraba wa barafu kutoka kwenye friji yako-jinsi gani ilichukua harufu hizo za chakula? Je! Kuweka mguu wa mguu katika chumvi Epsom hupunguza uvimbe? Jibu la maswali haya ni kuhusiana na matukio ya usafiri wa atomiki na Masi - njia nyingine ya mwendo wa maji. Atomi na molekuli ziko katika mwendo wa mara kwa mara kwenye joto lolote. Katika maji yanayotembea juu ya nasibu hata kwa kutokuwepo kwa mtiririko wa macroscopic. Mwendo huu inaitwa kutembea random na ni mfano katika Kielelezo. Utbredningen ni harakati ya vitu kutokana na mwendo random mafuta Masi. Maji, kama mafusho ya samaki au harufu zinazoingia kwenye cubes za barafu, zinaweza hata kuenea kwa njia ya yabisi.
Usambazaji ni mchakato wa polepole juu ya umbali wa macroscopic. Uzito wa vifaa vya kawaida ni kubwa ya kutosha kwamba molekuli haziwezi kusafiri mbali sana kabla ya kuwa na mgongano unaoweza kuwatawanya katika mwelekeo wowote, ikiwa ni pamoja na nyuma moja kwa moja. Inaweza kuonyeshwa kuwa umbali\(x_{rms}\) wa wastani ambao molekuli husafiri ni sawia na mizizi ya mraba ya wakati:
\[x_{rms} = \sqrt{2Dt,}\]
ambapo\(x_{rms}\) anasimama kwa umbali wa mizizi-maana ya mraba na ni wastani wa takwimu kwa mchakato. Kiasi\(D\) ni mara kwa mara ya kutenganishwa kwa molekuli fulani katika kati maalum. Jedwali\(\PageIndex{1}\) orodha maadili mwakilishi wa\(D\) kwa vitu mbalimbali, katika vitengo vya\(m^2/s\).
| Kueneza molekuli | Kati | D (\(m^2/s\)) |
|---|---|---|
| Hidrojeni\((H_2)\) | Air | \ (m ^ 2/s\)) ">\(6.4 \times 10^{-5}\) |
| Oksijeni\((O_2)\) | Air | \ (m ^ 2/s\)) ">\(1.8 \times 10^{-5}\) |
| Oksijeni\((O_2)\) | Maji | \ (m ^ 2/s\)) ">\(1.0 \times 10^{-9}\) |
| Glucose\((C_6H_{12}O_6)\) | Maji | \ (m ^ 2/s\)) ">\(6.7 \times 10^{-10}\) |
| himoglobin | Maji | \ (m ^ 2/s\)) ">\(6.9 \times 10^{-11}\) |
| DNA | Maji | \ (m ^ 2/s\)) ">\(1.3 \times 10^{-12}\) |
Kumbuka kwamba\(D\) anapata kuendelea ndogo kwa molekuli kubwa zaidi. Kupungua hii ni kwa sababu kasi ya molekuli wastani kwenye joto lililopewa ni inversely sawia na molekuli ya molekuli. Hivyo molekuli kubwa zaidi huenea polepole zaidi. Jambo lingine la kuvutia ni kwamba\(D\) kwa oksijeni katika hewa ni kubwa zaidi kuliko\(D\) oksijeni katika maji. Katika maji, molekuli ya oksijeni hufanya migongano mengi zaidi katika kutembea kwake kwa random na imepungua kwa kiasi kikubwa. Katika maji, molekuli ya oksijeni huenda tu\(40 \, \mu m\) katika 1 s. (Kila molekuli kweli hugongana\(10^{10}\) mara kwa sekunde!). Hatimaye, kumbuka kuwa mara kwa mara ya kutenganishwa huongezeka kwa joto, kwa sababu wastani wa kasi ya Masi huongezeka kwa joto. Hii ni kwa sababu wastani wa nishati ya kinetic ya molekuli\(\frac{1}{2}mv^2\),, ni sawia na joto kabisa.
Mfano\(\PageIndex{1}\): Calculating Diffusion: How Long Does Glucose Diffusion Take?
Tumia muda wa wastani inachukua molekuli ya glucose kuhamisha 1.0 cm katika maji.
Mkakati
Tunaweza kutumia\(x_{tms} = \sqrt{2Dt},\) kujieleza kwa umbali wastani wakiongozwa katika muda\(t\), na kutatua kwa ajili ya\(t\).
Wengi wengine wote wanajulikana.
Suluhisho
Kutatua\(t\) na kubadilisha mazao ya maadili inayojulikana
\[t = \frac{x_{rms}^2}{2D} = \frac{(0.010 \, m)^2}{2(6.7 \times 10^{-10} m^2/s)}\]
\[ = 7.5 \times 10^4 s = 21 \, h.\]
Majadiliano
Hii ni muda mrefu sana wa glucose kuhamisha sentimita tu! Kwa sababu hii, tunachochea sukari ndani ya maji badala ya kusubiri ili kuenea.
Kwa sababu utbredningen ni kawaida polepole sana, madhara yake muhimu hutokea juu ya umbali mdogo. Kwa mfano, kornea ya jicho inapata oksijeni yake zaidi kwa kutenganishwa kupitia safu nyembamba ya machozi inayoifunika.
Kiwango na Mwelekeo wa Kutenganishwa
Ikiwa unaweka kwa makini tone la rangi ya chakula katika glasi ya maji bado, itapungua polepole katika mazingira yasiyo na rangi mpaka ukolezi wake uwe sawa kila mahali. Aina hii ya utbredningen inaitwa bure utbredningen, kwa sababu hakuna vikwazo kuzuia yake. Hebu tuchunguze mwelekeo wake na kiwango. Mwendo wa molekuli ni random katika mwelekeo, na nafasi rahisi sana inaonyesha kwamba molekuli zaidi zitatoka katika eneo la ukolezi wa juu kuliko ndani yake. Kiwango cha wavu cha kutenganishwa ni cha juu zaidi kuliko baada ya mchakato kukamilika sehemu (Kielelezo\(\PageIndex{1}\)).
Kiwango cha wavu cha kutenganishwa ni sawa na tofauti ya ukolezi. Molekuli nyingi zaidi zitatoka eneo la ukolezi wa juu kuliko zitaingia kutoka eneo la ukolezi mdogo. Kwa kweli, kama viwango vilikuwa sawa, hakutakuwa na harakati za wavu. Kiwango cha kutenganishwa pia ni sawa na mara kwa mara ya kutenganishwa\(D\), ambayo imedhamiriwa kwa majaribio. Zaidi ya molekuli inaweza kuenea kwa wakati fulani, kuna uwezekano mkubwa zaidi wa kuondoka eneo la ukolezi wa juu. Mambo mengi yanayoathiri kiwango ni siri katika mara kwa mara utbredningen\(D\). Kwa mfano, joto na ushirikiano na adhesive vikosi vyote kuathiri maadili ya\(D\).
Kutenganishwa ni utaratibu mkubwa ambao kubadilishana virutubisho na bidhaa za taka hutokea kati ya damu na tishu, na kati ya hewa na damu katika mapafu. Katika mchakato wa mabadiliko, kama viumbe vilikuwa vikubwa, walihitaji njia za usafiri wa haraka zaidi kuliko usambazaji wa wavu, kwa sababu ya umbali mkubwa unaohusika katika usafiri, na kusababisha maendeleo ya mifumo ya mzunguko. Chini ya kisasa, viumbe single-seli bado hutegemea kabisa juu ya utbredningen kwa ajili ya kuondolewa kwa bidhaa taka na matumizi ya virutubisho.
Osmosis na Dialysis-Utbredningen katika utando
Baadhi ya mifano ya kuvutia zaidi ya utbredningen hutokea kwa njia ya vikwazo vinavyoathiri viwango vya utbredningen. Kwa mfano, unapoweka mguu wa kuvimba katika chumvi Epsom, maji hutengana kupitia ngozi yako. Dutu nyingi huhamia mara kwa mara kupitia membrane za seli; oksijeni huingia ndani, dioksidi kaboni hutoka nje, virutubisho huingia, na taka hutoka, kwa mfano. Kwa sababu utando ni miundo nyembamba (kawaida\(6.5 \times 10^{-9}\) kwa\(10 \times 10^{-9} \) m hela) viwango vya utbredningen kupitia kwao inaweza kuwa juu. Kutenganishwa kwa njia ya membrane ni njia muhimu ya usafiri.
Vipande kwa ujumla huchaguliwa vyema, au vyema (Kielelezo\(\PageIndex{3}\)). Aina moja ya utando wa semipermit ina pores ndogo ambayo inaruhusu molekuli ndogo tu kupita. Katika aina nyingine za utando, molekuli zinaweza kufutwa katika utando au kuguswa na molekuli katika utando huku zikihamia. Kazi ya utando, kwa kweli, ni somo la utafiti mwingi wa sasa, unaohusisha sio tu physiolojia bali pia kemia na fizikia.
Osmosis ni usafiri wa maji kupitia membrane isiyoweza kupunguzwa kutoka eneo la ukolezi mkubwa hadi eneo la ukolezi mdogo. Osmosis inaendeshwa na usawa katika mkusanyiko wa maji. Kwa mfano, maji hujilimbikizia zaidi katika mwili wako kuliko chumvi ya Epsom. Unapokwisha mguu wa kuvimba katika chumvi ya Epsom, maji hutoka nje ya mwili wako kwenye kanda ya chini ya ukolezi katika chumvi. Vilevile, dialysis ni usafiri wa molekuli nyingine yoyote kwa njia ya utando wa semipermit kutokana na tofauti yake ya ukolezi. Wote osmosis na dialysis hutumiwa na figo kusafisha damu.
Osmosis inaweza kuunda shinikizo kubwa. Fikiria nini kinatokea ikiwa osmosis inaendelea kwa muda fulani, kama ilivyoonyeshwa kwenye Kielelezo\(\PageIndex{4}\). Maji huenda kwa osmosis kutoka upande wa kushoto kwenda kanda upande wa kulia, ambako haujilimbikizia chini, na kusababisha suluhisho juu ya haki ya kuinuka. Mwendo huu utaendelea mpaka shinikizo\(\rho gh\) linaloundwa na urefu wa ziada wa maji upande wa kulia ni kubwa ya kutosha kuacha osmosis zaidi. Shinikizo hili linaitwa shinikizo la nyuma. Shinikizo\(\rho gh\) la nyuma linaloacha osmosis pia linaitwa shinikizo la osmotic la jamaa ikiwa hakuna suluhisho ni maji safi, na inaitwa shinikizo la osmotic ikiwa suluhisho moja ni maji safi. Shinikizo la Osmotic linaweza kuwa kubwa, kulingana na ukubwa wa tofauti ya mkusanyiko. Kwa mfano, ikiwa maji safi na maji ya bahari hutenganishwa na utando usio na uwezo ambao hupita chumvi, shinikizo la osmotic litakuwa 25.9 atm. Thamani hii ina maana kwamba maji yataenea kwa njia ya membrane mpaka uso wa maji ya chumvi utaongezeka 268 m juu ya uso wa maji safi! Mfano mmoja wa shinikizo lililoundwa na osmosis ni turgor katika mimea (wengi hupenda wakati kavu sana). Turgor inaelezea hali ya mmea ambapo maji katika seli huwa na shinikizo dhidi ya ukuta wa seli. Shinikizo hili linatoa msaada wa mmea. Dialysis inaweza pia kusababisha shinikizo kubwa.
Reverse osmosis na reverse dialysis (pia huitwa filtration) ni michakato ambayo hutokea wakati shinikizo la nyuma linatosha kubadili mwelekeo wa kawaida wa vitu kupitia membrane. Shinikizo nyuma inaweza kuundwa kawaida kama upande wa kulia wa Kielelezo\(\PageIndex{4}\). (Pistoni pia inaweza kuunda shinikizo hili.) Reverse osmosis inaweza kutumika kufuta maji kwa kulazimisha tu kupitia membrane ambayo haitapita chumvi. Vile vile, dialysis ya nyuma inaweza kutumika kuchuja dutu yoyote ambayo utando uliopewa hautapita.
Mfano mmoja zaidi wa harakati za vitu kupitia membrane unastahili kutaja. Wakati mwingine tunaona kwamba vitu hupita katika mwelekeo kinyume na kile tunachotarajia. Mizizi ya mti wa Cypress, kwa mfano, dondoo maji safi kutoka kwa maji ya chumvi, ingawa osmosis ingeweza kuihamisha kinyume chake. Hii sio reverse osmosis, kwa sababu hakuna shinikizo la nyuma la kusababisha. Kinachotokea kinachoitwa usafiri wa kazi, mchakato ambao membrane hai hutumia nishati kuhamisha vitu kote. Vipande vingi vilivyo hai huhamisha maji na vitu vingine kwa usafiri wa kazi. Figo, kwa mfano, si tu kutumia osmosis na dialysis-wao pia kuajiri muhimu usafiri kazi kuhamisha vitu ndani na nje ya damu. Kwa kweli, inakadiriwa kuwa angalau 25% ya nishati ya mwili hutumiwa kwenye usafiri wa vitu katika ngazi ya seli. Utafiti wa usafiri wa kazi unatupeleka katika ulimwengu wa microbiolojia, biofizikia, na biochemistry na ni matumizi ya kuvutia ya sheria za asili kwa miundo hai.
Muhtasari
- Utbredningen ni harakati ya vitu kutokana na mwendo random mafuta Masi.
- Umbali wa wastani\(x_{rsm}\) wa molekuli husafiri kwa kutenganishwa kwa kiasi fulani cha muda hutolewa na\[ x_{rsm} = \sqrt{2Dt},\] wapi\(D\) mara kwa mara ya kuenea, maadili ya mwakilishi ambayo hupatikana katika Jedwali.
- Osmosis ni usafiri wa maji kupitia membrane isiyoweza kupunguzwa kutoka eneo la ukolezi mkubwa hadi eneo la ukolezi mdogo.
- Dialysis ni usafiri wa molekuli nyingine yoyote kwa njia ya utando wa semipermit kutokana na tofauti yake ya ukolezi.
- Michakato yote inaweza kuachwa na shinikizo la nyuma.
- Usafiri wa kazi ni mchakato ambao membrane hai hutumia nishati kuhamisha vitu kote.
maelezo ya chini
1. Katika 20°C na 1 atm
faharasa
- utangazaji
- harakati ya vitu kutokana na mwendo random mafuta Masi
- semipermit
- aina ya utando ambayo inaruhusu molekuli fulani ndogo tu kupita
- osmosis
- usafiri wa maji kwa njia ya membrane isiyoweza kupunguzwa kutoka eneo la ukolezi wa juu hadi moja ya ukolezi mdogo
- dialysis
- usafiri wa molekuli yoyote isipokuwa maji kwa njia ya membrane isiyoweza kupunguzwa kutoka eneo la ukolezi wa juu hadi moja ya ukolezi mdogo
- shinikizo la kiosmotiki
- shinikizo la nyuma, ambalo linaacha mchakato wa osmotic ikiwa hakuna suluhisho ni maji safi;
- shinikizo la kiosmotiki
- shinikizo la nyuma, ambalo linaacha mchakato wa osmotic, ikiwa suluhisho moja ni maji safi;
- reverse osmosis
- mchakato ambao hutokea wakati shinikizo la nyuma linatosha kubadili mwelekeo wa kawaida wa osmosis kupitia membrane
- reverse dialysis
- mchakato ambao hutokea wakati shinikizo la nyuma linatosha kubadili mwelekeo wa kawaida wa dialysis kupitia membrane
- usafiri wa kazi
- mchakato ambao utando hai expends nishati ya hoja dutu katika