TRANSPORT PRZEZ BŁONĘ, DYFUZJA, OSMOZA

Rucińska Jowita, lek I, gr.II, para 6

I. Potencjał chemiczny (składnika), µ_i to cząstkowa molowa entalpia swobodna składnika i w temperaturze T, pod ciśnieniem p
µ_i=(ΔG/Δn_i)_{T, p, k},

gdzie: G - entalpia swobodna układu, n_i - liczba moli składnika i, k - różne od i składniki układu, nie ulegające zmianie.

Potencjał chemiczny jest wielkością intensywną, tzn. niezależną od masy substancji. Jednostką potencjału chemicznego jest [J·mol^-1].
Pojęcie potencjału chemicznego pozwala przedstawić zmiany energii i entalpii swobodnej układu otwartego, określić kryterium samorzutności przebiegu lub równowagi reakcji chemicznej (powinowactwo chemiczne reakcji), zdefiniować pojęcie roztworu doskonałego i idealnego rozcieńczonego.
Potencjał chemiczny substancji czystej jest równy jej entalpii swobodnej. Potencjał chemiczny dla gazu zależy od ciśnienia tego gazu, dla roztworów od aktywności danego składnika. Jeżeli w układzie nie zachodzą żadne przemiany fazowe oraz T=const i p=const, to oznacza, że potencjał chemiczny każdego składnika układu we wszystkich fazach jest jednakowy.
II. Dyfuzja - proces samorzutnego rozprzestrzeniania się cząsteczek lub energii w danym ośrodku (np. w gazie, cieczy lub ciele stałym), będący konsekwencją chaotycznych zderzeń cząsteczek dyfundującej substancji między sobą i/lub z cząsteczkami otaczającego ją ośrodka. Ze względu na skalę zjawiska, rozpatruje się dwa podstawowe rodzaje dyfuzji:

• dyfuzja śledzona (ang. tracer diffusion) to proces mikroskopowy polegający na chaotycznym ruchu pojedynczej ("śledzonej") cząsteczki (przykład: ruchy Browna).

• dyfuzja chemiczna to proces makroskopowy obejmujący makroskopowe ilości materii (lub energii), zwykle opisywany równaniem dyfuzji i prowadzący do wyrównywania stężenia (lub temperatury) każdej z dyfundujących substancji w całym układzie.

Podstawowym parametrem opisującym dyfuzję jest współczynnik dyfuzji. Dla chemicznej dyfuzji materii (masy) współczynnik dyfuzji jest nazywany współczynnikiem dyfuzji molekularnej. Dla tej samej substancji, w tych samych warunkach, współczynniki dyfuzji śledzonej i chemicznej są zwykle różne, gdyż drugi z tych współczynników uwzględnia oddziaływania i korelacje pomiędzy trajektoriami poszczególnych dyfundujących cząsteczek.

III. Proces dyfuzji opisują prawa Ficka:

1. Pierwsze prawo dyfuzji Ficka:

Ilość substancji dyfundującej w czasie t przez określoną powierzchnię prostopadłą do kierunku dyfuzji, jest proporcjonalne do pola powierzchni S, gradientu stężeń i czasu.

J = -D (∆C/ ∆x)

J jest strumieniem dyfundujących atomów (ilość/powierzchnię i czas, tzn. [1/cm2s]);

D stała dyfuzji [cm2/s];

C koncentracja [1/cm3];

X odległość [cm];

2. Drugie prawo Ficka: 

Szybkość dyfuzji gazów przez błonę przepuszczalną przy określonym ciśnieniu jest proporcjonalna do rozpuszczalności gazu w cieczy i odwrotnie proporcjonalna do pierwiastka kwadratowego z ciężaru cząsteczkowego danego gazu.

IV. Osmoza - dyfuzja rozpuszczalnika przez błonę półprzepuszczalną rozdzielającą dwa roztwory o różnym stężeniu. Osmoza spontanicznie zachodzi od roztworu o niższym stężeniu substancji rozpuszczonej do roztworu o wyższym, czyli prowadzi do wyrównania stężeń obu roztworów.
W kontekście osmozy roztwór z którego ubywa rozpuszczalnika nazywa się hipotonicznym, tego w którym przybywa nazywa się hipertonicznym. Gdy roztwory pozostają w równowadze osmotycznej, mówi się że są wzajemnie izotoniczne względem siebie.

V. Ciśnienie osmotyczne - jest wartością ciśnienia wywieranego na półprzepuszczalną membranę przez dwie ciecze które ta membrana rozdziela. Przyczyną pojawienia się ciśnienia osmotycznego jest różnica stężeń związków chemicznych lub jonów w roztworach po obu

stronach membrany i dążenie układu do ich wyrównania.
Pomiar ciśnienia osmotycznego możliwy jest np. poprzez pomiar ciśnienia wymaganego do

zatrzymania przepływu rozpuszczalnika przez membranę. Dalsze zwiększanie przyłożonego

ciśnienia prowadzi do zaistnienia procesu odwróconej osmozy, czyli przepływu cząsteczek

rozpuszczalnika od roztworu o wysokim stężeniu do roztworu o niższym stężeniu.

IV. Dla roztworu o stężeniu c w kontakcie poprzez membranę z czystym rozpuszczalnikiem, ciśnienie osmotyczne definiowane jest przez równanie van 't Hoffa:

π = c R T

Równanie van 't Hoffa jest słuszne dla bardzo rozcieńczonych roztworów zbliżonych do roztworu idealnego.

Dla roztworów silnie rozcieńczonych, ciśnienie osmotyczne na granicy roztworów o stężeniach c1 i c2 można wyrazić wzorem:
π = (c1-c2) R T

gdzie:

π - ciśnienie osmotyczne,

R - stała gazowa,

T - temperatura (w skali Kelwina),

c1, c2- stężenia molowe związków chemicznych lub jonów, które mogą przepływać przez membranę.

---