Phân biệt: Khuếch tán - Thẩm thấu - Dòng khối
Thanh Uyên Ι 10.2021
Để mô tả sự di chuyển của các chất trong một cơ thể sống vốn chứa phần lớn là nước, các tài liệu sinh lí thực vật thường sử dụng các thuật ngữ như hiện tượng thẩm thấu, khuếch tán hay dòng khối. Đây là các khái niệm rất phổ biến bởi nó cho thấy sự luân chuyển tự nhiên của một chất nào đó.
Tuy nhiên, trước khi phân biệt sự khác nhau giữa 3 hiện tượng trên, hãy cùng tìm hiểu thêm một vài khái niệm khác có liên quan mật thiết đến sự hoạt động của chúng. Điều này sẽ giúp làm sáng tỏ hơn các định nghĩa mang tính chuyên sâu.
Dung dịch (solution) là một hỗn hợp đồng nhất của hai hay nhiều chất. Trong hỗn hợp này, chất tan là chất bị hòa tan trong một chất khác, gọi là dung môi. Lượng chất tan có thể được hòa tan trong một dung môi nào đó gọi là độ hòa tan.
Ví dụ: Khi bỏ 1 muỗng cà phê đường vào một ly nước 100ml, đường sẽ bị hòa tan. Ta nói đường là chất tan và nước là dung môi. Tiếp tục bỏ thêm nhiều muỗng đường vào ly nước cho tới khi quá trình hòa tan đường bị chậm lại. Giả sử đến muỗng đường thứ 10, ta bắt đầu thấy các hạt đường bị lắng xuống bên dưới đáy ly và không thể bị tan ra nữa. Ta nói 100ml nước này chỉ có thể hòa tan tối đa khoảng 9 muỗng cà phê đường.
Dung môi (solvent) là một chất lỏng dùng để hòa tan một chất tan. Thường trong một dung dịch, dung môi chiếm phần lớn hơn. Trong tự nhiên, nước được xem là loại dung môi phổ biến nhất. Ngoài ra, còn có xăng, dầu, giấm, acetone… và nhiều loại khác nữa.
Có 2 loại dung môi. Dung môi phân cực bao gồm các phân tử phân cực, như nước, giúp hòa tan các phân tử phân cực khác, như muối ăn. Ngược lại, dung môi không phân cực bao gồm các phân tử không phân cực, như xăng, hòa tan các chất không phân cực, như dầu ăn. Bỏ 2 loại dung môi có đặc tính phân cực khác nhau vào cùng một bình chứa, chúng sẽ tách nhau ra rõ rệt. Ví dụ: nước và dầu ăn.
Cho dù là dung môi hay chất hòa tan, bản thân chúng đều chứa một lượng năng lượng tiềm năng (năng lượng dự trữ) dựa vào: (1) vị trí tương đối của nó so với các phân tử hay chất khác, (2) các áp lực nội tại (ví dụ sức ép, sức đẩy…) và (3) độ tích điện. Sự khác biệt về năng lượng tiềm năng giữa các chất tạo ra một khuynh độ, dẫn đến sự di chuyển từ nơi có khuynh độ cao đến nơi có khuynh độ thấp. Đây là nguyên lý cơ bản thứ 2 của Định luật động lực học.
Màng thấm (permeable membrane) là một vật liệu sinh học hoặc tổng hợp có các lỗ nhỏ trên đó, cho phép các hạt nhỏ (bao gồm cả phân tử nước và một số ion) đi xuyên qua nó.
Màng bán thấm (semipermeable membrane) là màng thấm có chọn lọc, chỉ cho phép một số chất hay loại hạt nhất định như phân tử nước và một số chất có kích thước nhỏ, không tích điện đi xuyên dễ dàng hơn là các chất lớn, có tích điện dưới một số điều kiện nhất định. Màng tế bào của sinh vật sống là ví dụ điển hình của kiểu màng bán thấm này.
Hiện tượng khuếch tán
Hiện tượng thẩm thấu
Khuếch tán
Khuếch tán (diffusion) là sự di chuyển của các chất hay phân tử theo khuynh độ nồng độ, từ nơi có nồng độ cao sang nơi có nồng độ thấp hơn. Kết quả của hiện tượng này là nồng độ tổng thể bên trong một dung dịch được cân bằng ở khắp mọi nơi.
Khuếch tán thường thể hiện sự chuyển động ròng ngẫu nhiên của các phân tử hạt chất tan bên trong một dung môi. Nếu không bị tác động gì từ bên ngoài, các phân tử chất tan sẽ di chuyển ngẫu nhiên theo bất cứ hướng nào bên trong dung môi đó cho đến khi nồng độ của chúng cân bằng ở khắp mọi nơi.
Cụ thể như khi ta bỏ 1 muỗng cà phê đường vào bên trong ly nước 100ml. Lúc đầu các hạt đường nặng, thường sẽ rơi xuống đáy ly. Theo thời gian đường dưới đáy ly sẽ từ từ hòa tan và khuếch tán dần lên phía trên. Nếu không bị tác động từ việc khuấy động, thời gian để đường tan hết ở dưới đáy ly và trộn đều khắp nơi sẽ khá lâu, có thể tới cả ngày. Trước khi được hòa tan đều bởi hiện tượng khuếch tán, vị ngọt của đường ở phần đáy ly sẽ đậm đà hơn ở phần trên mặt.
Thẩm thấu
Thẩm thấu (osmosis) chỉ xảy ra khi có sự hiện diện của màng bán thấm. Nó cho thấy sự di chuyển của các hạt dung môi (không phải hạt chất tan) đi qua một màng bán thấm có chọn lọc từ một dung dịch loãng sang một dung dịch đậm đặc hơn. Dung môi di chuyển để pha loãng dung dịch đậm đặc và cân bằng nồng độ ở cả hai bên màng bán thấm.
Cả thẩm thấu và khuếch tán đều là quá trình vận chuyển thụ động nhằm cân bằng nồng độ của một dung dịch, nghĩa là theo khuynh độ nồng độ. Tuy nhiên, ở hiện tượng thẩm thấu luôn cần sự hiện diện của màng bán thấm và sự di chuyển chỉ xảy ra ở các hạt dung môi (thường là nước), còn ở khuếch tán sự di chuyển có thể xảy ra ở bất kỳ môi trường nào có sự chênh lệch về mặt nồng độ (thường là các hạt chất tan).
Thông thường luôn có sự nhầm lẫn giữa hai hiện tượng này khi nói đến chữ “nồng độ”. Ở hiện tượng khuếch tán, nói đến sự di chuyển từ nơi có nồng độ cao sang nơi có nồng độ thấp là nói đến nồng độ một chất cụ thể trong một môi trường nào đó, ví dụ nước trong đất. Còn bên trong một dung dịch, hiện tượng khuếch tán nói đến sự di chuyển của chất tan do sự chênh lệch nồng độ chất tan bên trong dung dịch đó. Ở thẩm thấu, nồng độ này được hiểu là nồng độ dung môi. Trong khi các hạt/phần tử dung môi di chuyển từ nơi có nồng độ dung môi cao hơn sang nơi có nồng độ dung môi thấp hơn, cũng có nghĩa là chúng đang di chuyển từ nơi có nồng độ chất tan thấp hơn sang nơi có nồng độ chất tan cao hơn. Nói cách khác, là từ một dung dịch loãng sang một dung dịch đậm đặc hơn.
Trong cơ thể sinh vật, sự di chuyển theo kiểu thẩm thấu là khá bình thường giữa các tế bào vì chúng luôn hiện diện màng bán thấm và có hàm lượng chất tan khác nhau. Do đó, chúng phải tìm kiếm trạng thái cân bằng bằng cách di chuyển qua lại. Trong một mô chứa nhiều tế bào, nếu các hạt chất tan không thể vượt qua được rào cản của một màng nào đó thì cách duy nhất để cân bằng nồng độ ở cả hai bên màng là để các hạt dung môi đi qua. Trong trường hợp này là nước.
Dòng khối
Khác với kiểu di chuyển một cách thụ động như trên, dòng khối (mass flow, mass transfer, bulk flow) là sự di chuyển của một chất hay dung dịch nào đó dựa vào sự thay đổi áp suất hay nhiệt độ. Nghĩa là sự di chuyển này xảy ra khá nhanh và ào ạt do có sự hỗ trợ bởi một lực tác động nào đó, ví dụ nước nhanh chóng trào ra vòi sen tưới ngay sau khi mở van do áp lực nước sẵn có bên trong đường ống. Đối với một dung dịch, dòng khối là sự di chuyển đồng thời của các dung môi và chất tan trong đó. Nói cách khác, đây là sự di chuyển tập thể cùng lúc của cả hai.
Di chuyển dòng khối được điều khiển bởi khuynh độ áp suất thủy tĩnh. Tốc độ chảy của nó nhanh hơn kiểu khuếch tán và thẩm thấu bởi vì tất cả các chất hay phân tử đều di chuyển theo cùng một hướng. Di chuyển dòng khối xảy ra phổ biến khi nước di chuyển trong mạch mộc xylem của cây và ở trong đất. Kiểu di chuyển này phụ thuộc vào kích thước của các kênh dẫn.
Trong khi đó, hai kiểu di chuyển còn lại được điều khiển bởi khuynh độ áp suất nồng độ hay áp suất thẩm thấu. Nó chậm hơn rất nhiều bởi vì các phân tử chất tan và dung môi di chuyển theo hai hướng ngược nhau.
Ngoài ra, kiểu di chuyển khuếch tán của nước thoát ra ngoài không khí qua các Khí khẩu trên lá cũng là một dạng khuếch tán hơi nước do sự chênh lệch nồng độ hơi nước giữa trong và ngoài lá.
(Tác giả: Thanh Uyên)
Tham khảo thêm