Difuze a osmóza Co je to koncentrace a kam směřují molekuly, pokud se její hodnota liší v různých prostředích?

V tomto videu chci probrat pár témat, která spolu souvisí. V podstatě jsou to jednoduché věci, ale někdy bývá těžké se v nich vyznat. Tak snad se nám podaří si je ujasnit. Začneme prostě tím, že si představíme nějakou nádobu. A v této nádobě budeme mít pár molekul vody. Zatím jsou tam jen molekuly vody. Dochází mezi nimi ke tření, je to voda v tekutém skupenství. A mezi molekulami vody máme i pár molekul cukru. Cukr nakreslím růžovou. Takže teď máme ve vodě i pár molekul cukru. Ale molekul vody je v nádobě mnohem více. To je třeba si uvědomit. V nádobě je mnohem více molekul vody. V této situaci se látka, které je více, nazývá rozpouštědlo. V tomto případě máme více molekul vody. Více je vždy té látky, která má v nádobě větší počet molekul. Raději se nebudu zmiňovat o molech a tak, protože to ještě nemusíte znát. Nám stačí, když víme, že ta látka, které je více, se nazývá rozpouštědlo. V tomto případě je rozpouštědlem voda. A čeho je méně... více je vody, takže je rozpouštědlo, a méně je v tomto případě cukru, tak mu říkáme rozpuštěná látka. Nemusí to být cukr, mohou to být jakékoliv molekuly, kterých je v nádobě méně než vody. Cukr je rozpuštěná látka. Říkáme, že cukr je rozpuštěný ve vodě. Cukr je rozpuštěný ve vodě. Dohromady tuto směs molekul vody a cukru nazýváme roztok. Celé se to jmenuje roztok. Roztok se skládá z rozpouštědla a rozpouštěné látky. Rozpouštědlem je voda. To je ta část roztoku, která rozpouští. A v ní je rozpuštěná látka, cukr. To je rozpuštěná látka. Možná je to pro vás jen opakování, ale já se o tom chtěl zmínit, protože budu mluvit o jevu, kterému říkáme difuze. Difuze. Je to v podstatě celkem jednoduchý jev. Kdybychom měli stejnou nádobu... nebo raději pro difuzi udělám jinou. K cukru a hlavně k vodě se ještě vrátíme. Vezmeme si jinou nádobu a v ní bude například pár částic vzduchu. Může to být kyslík nebo oxid uhličitý. Takže teď nakreslím pár molekul plynu. Bude to třeba plynný kyslík, každý kroužek je molekula 02. Toto je počáteční stav a všude kolem je vakuum. Je tam určitá teplota, takže molekuly mají určitou kinetickou energii a pohybují se v náhodném směru. A moje otázka zní: co se stane v této nádobě? Molekuly do sebe budou náhodně narážet. Je pravděpodobnější, že nárazy budou ve směru dolů a doleva a ne nahoru a doprava. Takže když se tato molekula pohybuje dolů a doleva, narazí do jiné molekuly, která ji odrazí nahoru a doprava. Ale v tomto směru už nemá do čeho narazit. Obecně se všechny pohybují náhodným směrem, ale pohyb doprava je pravděpodobnější. Při pohybu vlevo pravděpodobněji do něčeho narazí. Je to celkem logické. Po určitém čase se v tomto systému vytvoří jistá rovnováha, kterou teď nebudeme rozebírat, pokud se chcete dozvědět více, podívejte se na videa o termodynamice. Nakonec bude nádoba vypadat nějak takhle, i když je určitá pravděpodobnost, že zůstanou takhle, ale mnohem pravděpodobnější je, že těchto pět částic se od sebe výrazně rozestoupí. Toto je difuze. V podstatě je to rozprostření částic nebo molekul z míst vysoké koncentrace do míst s nízkou koncentrací. I v této nádobě se molekuly rozestupují tímto směrem: z oblasti s vysokou koncentrací do míst s nízkou koncentrací. Teď se jistě ptáte: co je to ta koncentrace? Koncentraci můžeme určit mnoha způsoby, třeba pomocí molarity, molality a podobně. Ale nejjednodušší je zjistit počet částic na jednotku prostoru. Tady máme hodně molekul na jednotku prostoru a naopak tady je málo částic na jednotku prostoru. Takže toto je vysoká koncentrace a tady je koncentrace nízká. Můžeme si ukázat další podobný pokus. Představte si roztok v takových nádobách... Nakreslím dvě nádoby a v nich bude opět roztok. Před chvílí jsme měli plyn, ale teď se vrátíme k prvnímu příkladu s roztokem. Uprostřed je průchod, který je mnohem širší než molekuly vody i cukru. Na každé straně máme určité množství molekul vody. Takže máme mnoho molekul vody. Všechny tyto molekuly se pohybují náhodnými směry. Na obou stranách mají molekuly stejnou pravděpodobnost, že přejdou do druhé nádoby, za předpokladu, že v obou nádobách je hladina vody stejně vysoko, takže je vyrovnaný tlak. Představme si, že hladiny jsou stejně vysoko, takže zde není z žádné strany vyšší tlak a nemůže se stát, že by třeba z levé nádoby přešlo více molekul a hladina v pravé nádobě se zvýšila. Zatím ovšem máme jen dvě nádoby s vodou. Teď tam rozpustíme nějakou látku. A tuto látku rozpustíme pouze v levé nádobě. Vložíme pár molekul cukru do levé nádoby. Tyto molekuly jsou tak malé, že projdou průchodem. Co se teď stane? Všechny molekuly mají nějakou kinetickou energii, Různě do sebe naráží. Voda prochází z jedné nádoby do druhé, Tahle molekula vody jde tudy, tahle zase tudy, ale tyto změny jsou vyrovnané. Po čase ale některá molekula cukru půjde tím správným směrem... třeba zrovna tahle se bude pohybovat tímto směrem, projde přesně tunelem, který spojuje obě nádoby, a ocitne se v té pravé. A nepřestane se pohybovat, takže je možné, že se vrátí zpět. Ale vlevo bude stále více molekul cukru než vpravo, takže bude více pravděpodobné, že třeba tahle... ta už vlastně přešla... ale je stále pravděpodobnější, že z těchto molekul přejde jedna vpravo, než že tahle se vrátí. Představte si, že v soustavě je obrovské množství částic, ne jen čtyři, všechny částice se po čase rozestoupí, takže v nádobách budou přibližně stejné koncentrace. Nám by tu po čase možná zůstaly dvě. Kdyby tam skutečně bylo pouze 3, 4 nebo 5 částic, je jistá šance, že se to nevyrovná. Ale těchto malých částic mohou být miliardy, šance na vyrovnání je pak velmi vysoká. Během tohoto procesu v nádobě s vysokou koncentrací došlo ke snížení koncentrace a částice se rozšířily z nádoby s vysokou koncentrací do nádoby s koncentrací nízkou. Říkáme, že difundovaly, a proces se jmenuje difuze. Ještě se naučíme pár pojmů, které se s difuzí používají. Na začátku měla tato nádoba koncentraci vyšší. Levá nádoba měla vyšší koncentraci. Vyšší koncentraci v porovnání s druhou nádobou. Takže druhá nádoba měla nižší koncentraci. Máme pro to zvláštní pojmy. Tento roztok s vysokou koncentrací se nazývá hypertonický roztok. Napíšu to žlutou. Hypertonický roztok. Předpona hyper- obecně znamená "mít něčeho hodně", "mít něčeho nadbytek". A tento roztok s nižší koncentrací je hypotonický roztok. Hypotonický roztok. Možná jste slyšeli někoho hladového říci, že má hypoglykemii. To znamená, že se mu točí hlava, protože má v krvi málo cukru, a potřebuje se najíst, aby neomdlel. A když si dáte nějakou sladkost, máte zase hyperglykémii, nebo jste třeba hyperaktivní. Tyhle předpony je dobré znát. Hypertonický zde znamená, že máme mnoho rozpuštěné látky. Máme vysokou koncentraci. A v hypotonickém roztoku je málo rozpuštěné látky, čili je tam nízká koncentrace. To je dobré vědět. Při difuzi, když nejsou přítomné žádné bariéry, což my nemáme, přechází rozpuštěná látka z místa s vyšší koncentrací, čili z hypertonického roztoku, do hypotonického roztoku, kde je koncentrace nižší. Pojďme se teď podívat na zajímavý experiment. Mluvili jsme o difuzi, zatím jen o difuzi rozpuštěné látky. Vždy to nemusí platit, ale pokud mluvíme obecně, rozpuštěná látka je to, čeho je méně, a rozpouštědlo je to, čeho je mnohem více. Nejběžnější rozpouštědlo je voda, ale nemusí být vždy. Může to být i nějaký alkohol, může to být... třeba i rtuť. Mohou to být kombinace molekul, ale voda je v chemii a biologii nejběžnějším rozpouštědlem. V ní se rozpouští jiné látky. Co by se ale stalo, kdyby byl tunel příliš malý pro rozpuštěnou látku, ale dost velký pro vodu? Představme si takovou situaci. Abychom si to lépe přestavili, nakreslím zajímavou věc. Budeme mít nádobu... vlastně ani nemusím kreslit nádobu. Řekněme, že tady je vnější prostředí s určitým množstvím vody. To je vnější prostředí a v něm se nachází membrána. Stěnou této membrány může procházet voda. Takže membrána je polopropustná. Je propustná pro vodu, ale rozpuštěná látka přes ni neprojde. Rozpuštěnou látkou bude cukr. Takže vodu máme vně i uvnitř membrány. Tyto malé kroužky jsou molekuly vody. Toto je membrána. A teď přidáme pár molekul cukru. Opět jsem vybral cukr, ale může to být cokoliv. Molekuly cukru jsou trochu větší než molekuly vody... vlastně molekuly cukru jsou mnohem větší než molekuly vody. Nakreslil jsme čtyři, ale ve sktečnosti jsou jich miliardy. A vody je také obrovské množství. Chci znázornit, že molekul vody je více než molekul cukru. A tato membrána je polopropustná. Propustná znamená, že umožňuje částicím procházet. Polopropustná znamená, že všechny nepropustí. Tato polopropustná membrána propouští pouze molekuly vody. Voda projde, ale cukr neprojde, protože je příliš velký. Cukr neprojde, protože jeho molekuly jsou příliš velké. Když si membránu přiblížíme, možná bude vypadat takto. Nakreslím tuto membránu zvětšenou. V membráně budou takové malé dírky. Molekuly vody by mohly být takhle velké. Vejdou se do dírek a projdou. Takže molekuly vody mohou přecházet přes dírky v membráně, ale molekuly cukru jsou takhle velké a nevejdou se tam. Jsou příliš velké na tento otvor a nemohou jím procházet. Co si myslíte, že se stane v této situaci? Nejdříve si projdeme naše pojmy. Cukr je rozpuštěná látka. Voda je rozpouštědlo. Tady máme polopropustnou membránu. Na které straně membrány je vyšší koncentrace rozpuštěné látky? Je to vnitřní strana, kde je hypertonický roztok. Napíšu to sem: hypertonické prostředí. Vnější strana má nižší koncentraci, takže je tam hypotonické prostředí. Nižší koncentrace rozpuštěné látky. Kdyby tyto otvory byly větší, jako v předchozím příkladě, díky náhodnému pohybu částic by na obě strany přecházela nejen voda, ale byla by stejná pravděpodobnost... vlastně o tom chci mluvit později. Kdyby vše bylo průchozí, byla by tam stejná pravděpodobnost a molekuly cukru by se mohly dostat na druhou stranu, a nakonec by se koncentrace na obou stranách vyrovnaly. Byla by to běžná difuze. Přechod z roztoku o vysoké koncentraci do roztoku s nízkou koncentrací. Ale v tomto případě nemohou molekuly cukru projít skrz otvor. Pouze voda může jít tam i zpět. Kdyby tu nebyly molekuly cukru, vodě by nic nebránilo v pohybu a její molekuly by měly stejnou šanci přecházet oběma směry. Byla by tu stejná pravděpodobnost. Ale díky molekulám cukru na pravé straně, tedy na vnitřní straně membrány - toto je zvětšená vnitřní strana membrány - mají na této straně menší šanci projít, protože molekuly cukru jim můžou stát v cestě k otvoru. Molekuly vody zde mají menší pravděpodobnost dostat se k otvoru. Je více pravděpodobné, že voda vstoupí, než že odejde. To chci zdůraznit. Kdyby tu tyto molekuly cukru nebyly, molekuly vody by měly stejnou šanci projít oběma směry. Když tu ale na pravé straně jsou molekuly cukru, tak jakoby blokují molekulám vody přístup k otvoru. Samy jím nemohou projít a ani ho nemusí vždy blokovat, protože se pohybují náhodnými směry. Ale některým molekulám vody, které směřují k otvoru, můžou s určitou pravděpodobností zabránit dostat se ven, protože molekul je zde obrovské množství. Ale molekulám vody na vnější straně nic nebrání dostat se dovnitř, takže voda může téci dovnitř. Takže v tomto případě s polopropustnou membránou převažuje vstup vody dovnitř. To je na tom zajímavé. Máme rozpouštědlo proudící z hypotonického prostředí do hypertonického prostředí. Ale jedná se o hypotonické prostředí z pohledu rozpuštěné látky. A hypertonické prostředí je také z pohledu rozpuštěné látky. Kdybychom se na to podívali opačně a představili si cukr jako rozpouštědlo, jednalo by se o přechod z místa s vysokou koncentrací vody do místa s nižší koncentrací vody. Nechci vás moc zmást, tohle se totiž často plete. Jen si to zkuste představit. V jakémkoli roztoku je vždy tendence nějak dosáhnout vyrovnání koncentrací. Co nejvíce sblížit hodnoty koncentrace na obou stranách. A není to nějaké kouzlo nebo vědomá vůle roztoku. Záleží jen na pravděpodobnosti a náhodném pohybu částic. V této situaci je větší pravděpodobnost, že voda poteče dovnitř, takže vlastně z hypotonického prostředí s nízkou koncentrací rozpuštěné látky do míst s vysokou koncentrací rozpuštěné látky, cukru. A pokud je tato membrána pružná, poteče dovnitř stále více vody a membrána se bude roztahovat. Nebudu to podrobně rozebírat. Tento jev, kdy voda jako rozpouštědlo difunduje přes polopropustnou membránu, se nazývá osmóza. Osmóza se taky říká způsobu učení, kdy si položíte knihu na hlavu, aby vám do ní vědomosti přešly. Má to fungovat na stejném principu. Osmóza je to pronikání vody přes membránu s cílem vyrovnat koncentrace. Tady máme vysokou koncentraci, a tady nízkou. Kdyby tu nebyla žádná membrána, tyto velké molekuly by se rozestoupily. ale nemohou, kvůli této polopropustné membráně. Vše záleží jen na pravděpodobnosti, nejsou v tom žádná kouzla. Dovnitř vstupuje více vody, dokud se koncentrace nějak nevyrovnají. Ve vnějším prostředí třeba může být pár molekul cukru, v mnohem menší koncentraci. Kdyby vše proběhlo dokonale, dostali bychom se do stavu, kdy vlevo by byla koncentrace stejná jako vpravo. Protože pravá strana by se naplnila vodou a nejspíš by i zvětšila objem. Potom by molekuly vody měly stejnou pravděpodobnost přejít vpravo i vlevo a nastala by určitá rovnováha. Takže si to shrneme. Při difuzi dochází k přesunu částic z míst s vysokou koncentrací, částice se jakoby se rozestupují do míst s nižší koncentrací. Osmóza je difuze vody. Většinou se jedná o difuzi vody jako rozpouštědla a většinou se tak děje přes polopropustnou membránu, přes kterou nemůže projít rozpuštěná látka. Doufám, že to pro vás bude užitečné a úplně vás to nezmátlo.