Dyfuzja i osmoza to procesy pasywnego transportu, co oznacza, że nie wymagają wkładu energii do przenoszą substancje. Oba procesy są niezbędne do prawidłowego funkcjonowania procesów biologicznych, takich jak transport wody lub składników odżywczych między komórkami.
Główna różnica między nimi polega na tym, że dyfuzja może zachodzić w dowolnej mieszaninie, nawet gdy dwie roztwory nie są oddzielone membraną półprzepuszczalną, podczas gdy osmoza zachodzi wyłącznie na membranie półprzepuszczalnej.
W rzeczywistości istnieją trzy typy procesów transportu pasywnego. Oprócz dyfuzji i osmozy istnieje również ułatwiona dyfuzja. Podczas gdy dyfuzja i osmoza nie angażują białek podczas transportu substancji, ułatwiona dyfuzja wymaga pomocy białek.
Co to jest dyfuzja?
Dyfuzja to pasywny ruch cząsteczek z obszaru o wysokim stężeniu cząsteczek do obszaru o niższe stężenie. Wewnątrz komórek dyfuzja to transport małych cząsteczek przez błonę komórkową.
Cząsteczki są zawsze w ruchu. Temperatura, cecha fizyczna, do której ludzie zwykle odnoszą się w życiu codziennym, jest bezpośrednio związana z ruchem cząsteczek. Jest miarą średniej energii kinetycznej cząsteczek w materiale. Energia cząsteczek powoduje losowy ruch, który z kolei powoduje dyfuzję. Zderzenia między cząsteczkami są powszechne: nawet w powietrzu pod ciśnieniem atmosferycznym cząsteczka zderza się z sąsiadem co kilka nanosekund.
Na całej planecie powietrze w atmosferze ma ten sam skład i składa się z azotu (78%), tlenu (około 21%), argonu (prawie 1 %) i inne gazy, takie jak CO2, które są obecne w niewielkich ilościach (ale wciąż wystarczają do ogrzania planety w przyspieszającym tempie).
Dyfuzja ujednolica skład powietrza poprzez redystrybucję związków chemicznych, takich jak tlen w powietrza, aż do osiągnięcia równowagi, czyli do momentu, gdy gradient stężeń – różnica stężeń między dwoma obszarami – zostanie wyeliminowany. Jeśli stężenie gatunku nie jest początkowo jednolite, z czasem dyfuzja spowoduje przeniesienie masy na korzyść bardziej jednorodnego stężenia.
Po osiągnięciu równowagi ruch cząsteczek nie ustaje, ponieważ ich energia kinetyczna jest taka sama . W obu kierunkach następuje teraz równy ruch związków chemicznych.
Czynnikami wpływającymi na dyfuzję są:
- gradient stężeń;
- temperatura;
- cząstki odległości muszą przebyć.
Spójrzmy na kilka przykładów dyfuzji w akcji. Rozpylanie perfum w pomieszczeniu sprawi, że przez chwilę będzie ładnie pachnieć, ale z czasem dyfuzja rozprowadzi cząsteczki zapachu, aż ich stężenie będzie niewyczuwalne dla ludzkiego nosa. Upuszczenie barwnika spożywczego w filiżance wody, co zmieni kolor całego rozpuszczalnika (wody), to kolejny wspaniały przykład dyfuzji.
Dyfuzja jest szeroko rozpowszechnionym i ważnym procesem dla zarówno martwych, jak i żywych systemów. Aby wejść i wyjść z komórki, substancje takie jak woda lub składniki odżywcze muszą przejść przez półprzepuszczalną membranę. Dyfuzja jest jednym z procesów, które to umożliwiają. Membrana półprzepuszczalna lub selektywnie przepuszczalna to membrana, która umożliwia niektórym substancjom łatwe przechodzenie, podczas gdy inne przechodzą przez nią bardzo wolno lub wcale.
Ponieważ dyfuzja zachodzi w różnych warunkach, naukowcy klasyfikują kilka typów dyfuzja.
- Prosta dyfuzja jest najpowszechniejszym rodzajem dyfuzji, w której substancje są transportowane bez pomocy białek.
- Ułatwiona dyfuzja wymaga białek transportujących w celu dyfuzji substancji przez komórki .
- Dializa to dyfuzja substancji rozpuszczonych przez wybiórczo przepuszczalną membranę.
- Osmoza jest zwykle definiowana jako dyfuzja wody, rozpuszczalnika z wyboru we wszystkich żywych systemach, poprzez selektywnie przepuszczalna membrana.
Co to jest osmoza
Osmoza, rodzaj dyfuzji, reprezentuje ruch wody przez częściowo przepuszczalną membranę, z obszaru o wysokim stężeniu wody do obszaru o niskim stężeniu wody.
Osmoza zachodzi we wszystkich komórkach. Na przykład po umieszczeniu w wodzie krwinki czerwone pozwolą wodzie przepłynąć przez ich błonę. Po umieszczeniu w stężonym roztworze cukru, krwinka czerwona faktycznie kurczy się, ponieważ woda przemieszcza się w wyniku osmozy w kierunku obszaru o niższym stężeniu wody. Z tego powodu komórki patrzące pod mikroskopem wydają się pomarszczone. Na szczęście nigdy nie dzieje się to w organizmie, ponieważ nerki zapewniają, że stężenie krwi pozostaje mniej więcej takie samo, jak stężenie roztworu wewnątrz czerwonych krwinek.
W przeciwieństwie do czerwonych krwinek, komórki roślinne mają znacznie mocniejsza i sztywniejsza ściana komórkowa na zewnątrz błony komórkowej. Umożliwia to komórkom roślinnym wchłanianie większej ilości wody przez osmozę bez pękania. Bez osmozy rośliny nie byłyby w stanie wchłonąć wody z gleby. W miarę wchłaniania większej ilości wody komórki same stają się sztywne z powodu ciśnienia – jest to bardzo przydatne, ponieważ rośliny nie mają szkieletów. Jeśli komórki roślinne tracą zbyt dużo wody na skutek osmozy, stają się mniej sztywne i ostatecznie błona komórkowa kurczy się od ściany komórkowej.
Kiedy osmoza jest używana do wyrównania stężeń po obu stronach membrany, wywiera siłę zwaną ciśnieniem osmotycznym. Na przykład, wyobraź sobie dwa przedziały w zbiorniku oddzielone półprzepuszczalną membraną, która przepuszcza tylko cząsteczki wody. Jedna komora jest wypełniona roztworem soli, podczas gdy druga sąsiednia komora jest roztworem czystej wody. Jedynym sposobem osiągnięcia równowagi jest transport wody z przedziału wody czystej do przedziału wody słonej. W ten sposób osmoza podnosi poziom cieczy w przedziale ze słoną wodą do momentu, gdy wystarczające ciśnienie spowodowane różnicą poziomów między dwoma przedziałami zatrzyma procesy. Ciśnienie potrzebne do osiągnięcia tej równowagi nazywa się ciśnieniem osmotycznym.
Istnieje również coś takiego jak odwrócona osmoza, która jest dosłownie odwrotnym procesem osmozy, w którym rozpuszczalnik filtruje się z wysokiego koncentratu do niższy koncentrat. Innymi słowy, zamiast poszukiwać równej równowagi pomiędzy rozpuszczalnikiem i substancją rozpuszczoną w obu roztworach, odwrócona osmoza oddziela substancję rozpuszczoną od rozpuszczalnika.
Odwrócona osmoza jest bardzo przydatna w zastosowaniach takich jak odsalanie wody (usuwanie soli z wody morskiej) . Na całym świecie jest obecnie ponad 13 000 zakładów odsalania. W odwróconej osmozie po prostu odwracamy proces, wykonując filtr rozpuszczalnika z naszego wysokiego koncentratu do roztworu o niższym stężeniu, więc zamiast tworzyć równą równowagę rozpuszczalnika i substancji rozpuszczonej w obu roztworach, oddziela on substancję rozpuszczoną z rozpuszczalnika.