Hiểu được sự khác biệt giữa thẩm thấu và khuếch tán là điều quan trọng vì cả hai đều là những khái niệm thiết yếu trong sinh học, hóa học và vật lý đã được nhìn thấy và nghiên cứu trong nhiều năm. Hai cơ chế này rất quan trọng trong nhiều hiện tượng sinh học, bao gồm sự hấp thụ nước của thực vật và chức năng tế bào. Bằng cách đào sâu hơn vào sự khác biệt của chúng, chúng ta sẽ hiểu rõ hơn về cách sự sống phát triển.
Thẩm thấu là gì?
Thẩm thấu là quá trình mà các phân tử nước di chuyển từ vị trí có nồng độ cao đến khu vực có nồng độ thấp qua màng bán thấm. Thẩm thấu xảy ra trên màng tế bào để giữ cho tế bào không bị nhão (thiếu nước) hoặc căng (thừa nước).
Thẩm thấu xảy ra khi màng bán thấm tách dung dịch khỏi dung môi, cho phép các phân tử dung môi đi qua và đi vào dung dịch. Hiện tượng này được gọi là thẩm thấu.
Màng bán thấm có thể được sử dụng để đạt được kết quả tương tự. Trong những trường hợp như vậy, các phân tử dung môi có thể đi qua rào cản bán thấm từ dung dịch có nồng độ thấp hơn sang dung dịch có nồng độ cao hơn.
Nói cách khác, thẩm thấu là sự chuyển giao tự phát các phân tử dung môi vào hoặc ra khỏi dung dịch thông qua màng bán thấm.
Màng bán thấm là gì?
Màng bán thấm cho phép các phân tử dung môi đi qua nhưng không cho các hạt chất tan đi qua.
Thành phần bán thấm có thể là tự nhiên hoặc nhân tạo. Màng bán thấm tự nhiên bao gồm màng bao bọc tế bào thực vật và động vật, cũng như bàng quang lợn. Màng bán thấm nhân tạo có thể được tạo ra bằng cách sử dụng chất kết tủa dạng gelatin của các chất vô cơ như canxi photphat và đồng ferrocyanide.
Các loại thẩm thấu
Có hai loại thẩm thấu: thẩm thấu nội và thẩm thấu ngoại.
- Quá trình thẩm thấu nội bào xảy ra khi một chất được ngâm trong dung dịch nhược trương và các phân tử dung môi xâm nhập vào tế bào, khiến tế bào trở nên căng phồng hoặc trải qua quá trình khử chất nguyên sinh. Quá trình này được gọi là quá trình thẩm thấu nội bào.
- Khi một chất được ngâm trong dung dịch ưu trương, các phân tử dung môi sẽ rời khỏi tế bào, khiến tế bào trở nên mềm nhũn hoặc trải qua quá trình nguyên sinh. Quá trình này được gọi là thẩm thấu.
Các loại dung dịch thẩm thấu
Dung dịch đẳng trương
Dung dịch đẳng trương chứa cùng số chất tan như dung dịch khác. Ví dụ, một ô đẳng trương so với dung dịch xung quanh chỉ ra rằng cả chất lỏng bên trong và chất lỏng bên ngoài đều có cùng áp suất thẩm thấu và thế nước. Trong trường hợp này, sẽ không có dòng chảy ròng của các phân tử nước giữa ô và chất lỏng xung quanh.
Dung dịch nhược trương
Dung dịch nhược trương là dung dịch có áp suất thẩm thấu thấp hơn (hoặc chứa ít chất tan hơn) so với dung dịch khác. Trong trường hợp này, nước di chuyển về phía vùng ít cô đặc hơn hoặc về phía phần cô đặc hơn để pha loãng dung dịch. Ví dụ, khi chất lỏng bao quanh tế bào là nhược trương, nước sẽ di chuyển qua màng về phía dung dịch cô đặc hơn bên trong tế bào.
Dung dịch ưu trương
Dung dịch ưu trương có vẻ là dung dịch ngược của dung dịch nhược trương. Dung dịch ưu trương có nhiều chất tan hơn và ít nước hơn dung dịch kia. Khi một tế bào được ngâm trong dung dịch ưu trương, nước sẽ thoát ra khỏi tế bào để pha loãng dung dịch ra bên ngoài.
Các yếu tố ảnh hưởng đến thẩm thấu
Thẩm thấu xảy ra do nhiều nguyên nhân khác nhau, do đó tốc độ thẩm thấu bị ảnh hưởng bởi một số yếu tố như vậy.
Nhiệt độ
Tốc độ thẩm thấu tăng theo nhiệt độ của hệ thống. Điều này xảy ra vì khi nhiệt độ tăng, năng lượng của các phân tử tăng. Khi năng lượng của các phân tử tăng, chuyển động của chúng cũng tăng và quá trình thẩm thấu tăng tốc.
Độ dốc nồng độ
Vì nồng độ các phân tử chất tan đóng vai trò quan trọng đối với động lực của quá trình thẩm thấu, nên bất kỳ thay đổi nào về nồng độ đều có tác động trực tiếp đến tốc độ thẩm thấu.
Thẩm thấu tăng khi chênh lệch nồng độ qua màng lớn hơn. Khi số lượng các phân tử chất tan trong một dung dịch tăng, áp suất do các phân tử dung môi tác dụng giảm, làm tăng tốc quá trình thẩm thấu. Quá trình thẩm thấu kết thúc khi cân bằng được duy trì trên màng.
Thế nước/thế dung môi
Thế nước qua màng bán thấm quyết định tốc độ thẩm thấu. Khi thế nước của dung dịch tăng lên, các phân tử nước có thể di chuyển qua màng do áp suất tăng lên do các hạt tạo ra.
Cuối cùng, thế nước ở cả hai bên cân bằng, dẫn đến trạng thái cân bằng.
Khi đạt được trạng thái cân bằng, nước chảy qua màng với lượng bằng nhau theo cả hai hướng, ổn định dung dịch.
Diện tích bề mặt và độ dày của màng
Khi diện tích bề mặt tăng, các phân tử sẽ có nhiều không gian hơn để chảy, làm tăng tốc độ thẩm thấu. Tương tự như vậy, việc giảm diện tích bề mặt sẽ để lại ít không gian hơn cho các phân tử di chuyển, hạn chế tính di động của chúng. Tốc độ thẩm thấu giảm khi độ dày của màng tăng.
Áp suất
Áp suất là một thành phần quan trọng ảnh hưởng đến quá trình thẩm thấu vì nó thậm chí có thể làm thay đổi hướng thẩm thấu.
Nếu áp suất lớn hơn áp suất do các phân tử dung môi tạo ra, hướng thẩm thấu có thể thay đổi và các phân tử dung môi sẽ bắt đầu di chuyển về phía vị trí có nồng độ dung môi cao nhất. Tuy nhiên, áp suất nhỏ hơn áp suất do các phân tử dung môi tạo ra không làm thay đổi hướng, nhưng nó làm giảm tốc độ thẩm thấu.
Áp suất được tạo ra theo cùng hướng với gradient nồng độ sẽ cải thiện tốc độ thẩm thấu.
Tầm quan trọng của thẩm thấu
Thẩm thấu cho phép các tế bào hấp thụ chất dinh dưỡng cần thiết từ môi trường xung quanh và loại bỏ chất thải. Điều này giúp duy trì sự sống của tế bào và đảm bảo các quá trình sinh hóa diễn ra bình thường.
Rễ cây hấp thụ nước từ đất thông qua quá trình thẩm thấu. Nước di chuyển từ đất (nơi có nồng độ nước cao) vào rễ (nơi có nồng độ nước thấp hơn), và từ đó được vận chuyển lên các phần cao hơn của cây thông qua mạch gỗ, giúp cây phát triển và duy trì độ ẩm cần thiết.
Thẩm thấu giúp điều hòa lượng nước giữa các tế bào và các mô. Điều này đặc biệt quan trọng để duy trì sự cân bằng chất lỏng trong cơ thể, giúp điều chỉnh các chức năng cơ bản của cơ thể như duy trì áp suất máu và lọc chất thải qua thận.
Thẩm thấu tạo ra sức căng bên trong tế bào, giúp duy trì hình dạng của tế bào và cung cấp độ cứng cần thiết cho thực vật, giúp cây đứng vững và thực hiện các quá trình quang hợp, trao đổi khí.
Ở thực vật, thẩm thấu giúp bù đắp sự mất nước liên tục do quá trình thoát hơi nước. Đây là cách cây duy trì mức nước ổn định bên trong mặc dù nước bị mất qua lá.
Trong cơ thể con người, thẩm thấu điều chỉnh huyết áp bằng cách cân bằng nồng độ chất tan giữa máu và các mô xung quanh. Nếu máu có nồng độ chất tan cao, nước sẽ di chuyển từ các mô vào máu, tăng thể tích và áp suất máu.
Ví dụ về thẩm thấu
Rễ cây hấp thụ nước từ đất thông qua quá trình thẩm thấu, giúp di chuyển các phân tử nước từ nơi có nồng độ cao hơn trong đất đến nơi có nồng độ thấp hơn ở rễ cây.
Thẩm thấu giúp điều chỉnh huyết áp bằng cách cân bằng nồng độ chất tan trong máu và các mô xung quanh. Ví dụ, nếu nồng độ chất tan trong máu quá cao, nước sẽ di chuyển ra khỏi các mô và vào mạch máu bằng thẩm thấu, do đó làm tăng thể tích và áp suất máu.
Thẩm thấu thường được sử dụng để bảo quản thực phẩm bằng cách ngăn chặn vi khuẩn và các vi sinh vật khác phát triển. Ví dụ, việc ngâm hoặc ướp thịt trong muối khiến nước thoát ra khỏi tế bào của vi khuẩn và các vi sinh vật khác, có thể dẫn đến cái chết của chúng.
Thận sử dụng thẩm thấu để lọc các chất thải từ máu và loại bỏ nước dư thừa ra khỏi cơ thể. Độ dốc thẩm thấu giữa máu và các mô xung quanh điều chỉnh dòng nước và chất tan chảy qua nephron của thận.
Sự khuếch tán là gì?
Sự khuếch tán là sự di chuyển của các phân tử theo một gradient nồng độ. Đây là một quá trình quan trọng xảy ra ở tất cả các sinh vật sống. Sự khuếch tán tạo điều kiện cho các chất hóa học đi vào và ra khỏi tế bào. Các phân tử di chuyển từ vị trí có nồng độ cao hơn đến vùng có nồng độ thấp hơn cho đến khi nồng độ cân bằng hoàn toàn.
Sự khuếch tán có ứng dụng trong nhiều lĩnh vực. Trong sinh học, nó kiểm soát khả năng di chuyển của các hạt qua màng tế bào. Trong công nghiệp và hóa học, nó ảnh hưởng đến các phản ứng, quá trình truyền nhiệt và sản xuất vật liệu.
Chất khuếch tán có thể ở bất kỳ trạng thái vật chất nào (rắn, lỏng hoặc khí). Các phân tử di chuyển ngược với một gradient điện hóa. Nó rất quan trọng trong tế bào vì nó cho phép tế bào hoạt động bình thường và thực hiện nhiều nhiệm vụ. Trong sinh học, nhiệt độ, gradient nồng độ, kích thước hạt và tính chất của môi trường đều có tác động đến quá trình khuếch tán. Nó giúp chúng ta hiểu cách các chất hóa học hòa trộn và lan truyền.
Các loại khuếch tán
Sự khuếch tán có thể được chia thành hai loại: khuếch tán đơn giản và khuếch tán được tạo điều kiện.
Khuếch tán đơn giản
Khuếch tán đơn giản là các chất đi thẳng qua một rào cản bán thấm mà không cần sử dụng chất vận chuyển. Một số yêu cầu phải được đáp ứng để quá trình này xảy ra, chẳng hạn như chất tan không phân cực và có trọng lượng phân tử nhỏ hơn 10.000 kDa. Ví dụ, dinh dưỡng của vi khuẩn nhỏ và sự di chuyển của carbon dioxide, nước và oxy trong tế bào chất.
Khuếch tán thuận lợi
Khuếch tán thuận lợi được mô tả là sự di chuyển của các chất qua màng bán thấm từ vùng có nồng độ cao hơn đến vùng có nồng độ thấp hơn bằng cách sử dụng protein vận chuyển. Các protein này hoạt động như kênh hoặc chất mang, cho phép các hóa chất đi qua.
Sự khuếch tán được tạo điều kiện có thể được chia thành hai loại:
Thẩm tách là một loại khuếch tán hỗ trợ trong đó màng chọn lọc chỉ cho phép một số phân tử hoặc nguyên tử nhất định đi qua.
Thẩm thấu là một loại khuếch tán hỗ trợ khác trong đó các phân tử nước đi qua màng bán thấm. Nó xảy ra do sự chênh lệch nồng độ chất tan ở hai bên màng, khiến nước di chuyển từ vùng có nồng độ chất tan thấp hơn sang vùng có nồng độ chất tan cao hơn.
Các yếu tố ảnh hưởng đến sự khuếch tán
Kích thước của các phân tử chất tan
Kích thước của các phân tử ảnh hưởng đến tốc độ khuếch tán qua màng sinh học. Các phân tử lớn làm cho việc di chuyển qua màng khó khăn hơn, làm chậm tốc độ khuếch tán. Do đó, khuếch tán nhanh hơn đối với các phân tử nhỏ hơn và chậm hơn đối với các phân tử lớn hơn.
Nhiệt độ
Nhiệt độ của hệ thống cũng ảnh hưởng đến quá trình khuếch tán đơn giản.
Năng lượng của các phân tử tăng theo tỷ lệ với nhiệt độ. Các phân tử có nhiều năng lượng hơn có thể đi qua màng nhanh hơn, trong khi các hạt có ít năng lượng hơn di chuyển chậm hơn.
Độ dốc nồng độ
Độ dốc nồng độ qua màng sinh học thúc đẩy sự khuếch tán của chất không điện phân. Khi chênh lệch nồng độ qua màng tăng, tốc độ khuếch tán cũng tăng. Khi sự phân bố các phân tử qua màng trở nên đồng đều hơn, tốc độ khuếch tán giảm. Sự khuếch tán dừng lại sau khi đạt được trạng thái cân bằng trên khắp màng.
Diện tích bề mặt và độ dày của màng sinh học
Tốc độ khuếch tán tăng khi diện tích bề mặt của màng tăng. Diện tích bề mặt tăng làm tăng tính thấm hoặc tính di động của các phân tử, đây là một trong những yếu tố chịu trách nhiệm cho dòng chảy.
Tương tự như vậy, tốc độ khuếch tán giảm khi độ dày của màng tăng.
Độ hòa tan
Độ hòa tan của các phân tử trong môi trường ảnh hưởng đến tốc độ khuếch tán của các hạt.
Các phân tử hòa tan trong lipid có thể di chuyển nhanh qua các lớp lipid, chẳng hạn như màng tế bào chất. Tương tự như vậy, các phân tử phân cực và không phân cực chảy ở các tốc độ khác nhau tùy thuộc vào cấu trúc của màng sinh học.
Mật độ dung môi
Khi mật độ dung môi tăng, tốc độ khuếch tán giảm. Dung môi càng đặc, chất tan càng khó di chuyển. Mật độ dung môi rất quan trọng trong việc vận chuyển chất tan trong tế bào chất của tế bào. Mật độ tế bào chất tăng làm chậm quá trình di chuyển của các phân tử và khí, trong khi tế bào chất ít đặc hơn thì ngược lại.
Tầm quan trọng của sự khuếch tán
Sự khuếch tán tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình trao đổi khí trong quá trình hô hấp, cũng như loại bỏ carbon dioxide và hấp thụ oxy.
Sự khuếch tán hỗ trợ quá trình thu nhận khí trong quá trình quang hợp ở thực vật. Trong quá trình quang hợp, nó hỗ trợ quá trình hấp thụ carbon dioxide qua khí khổng của lá theo chiều dốc.
Sự mất nước qua lá xảy ra do hiện tượng khuếch tán, và quá trình mất nước dưới dạng hơi nước này được gọi là thoát hơi nước. Sự khuếch tán cũng tạo điều kiện thuận lợi cho việc phân phối các chất hóa học như ion khắp chất nguyên sinh của tế bào.
Ví dụ về sự khuếch tán
Khi cho đường vào nước, các hạt đường sẽ di chuyển từ vùng có nồng độ cao (tinh thể đường) đến vùng có nồng độ thấp (nước xung quanh), khiến các chất tan hòa trộn dần dần.
Khi con người thở, các phân tử oxy và carbon dioxide di chuyển từ nồng độ cao (trong không khí hoặc máu) đến nồng độ thấp (trong phổi hoặc máu), cho phép trao đổi khí diễn ra.
Khi xịt nước hoa, chuyển động nhiệt ngẫu nhiên khiến các hạt di chuyển từ khu vực có nồng độ cao (gần nguồn) đến khu vực có nồng độ thấp (xa hơn).
Các chất dinh dưỡng, chất thải và các phân tử khác đi vào và ra khỏi tế bào thông qua quá trình khuếch tán, có thể xảy ra qua màng tế bào để đáp ứng với sự thay đổi nồng độ.
Sự khác biệt giữa thẩm thấu và khuếch tán
| Sự thẩm thấu | Sự khuếch tán | |
| Sự định nghĩa | Thẩm thấu là sự chuyển động của tế bào trong đó với sự có mặt của màng bán thấm, các hạt di chuyển từ vùng có mật độ thấp đến vùng có nồng độ cao hơn. | Quá trình khuếch tán đề cập đến sự chuyển động của tế bào trong đó các hạt di chuyển từ vùng có nồng độ cao hơn đến vùng có nồng độ thấp hơn |
| Cơ chế | Nó hoạt động dựa trên chuyển động nhiệt tự phát của các phân tử. | Sự khác biệt về nồng độ chất tan dẫn đến hiện tượng này. |
| Phương hướng | Nó là một chiều. Thẩm thấu diễn ra theo một hướng. | Đa hướng (các phân tử di chuyển theo mọi hướng cho đến khi đạt được trạng thái cân bằng) |
| Động lực lái xe | Áp suất thẩm thấu | Nồng độ gradient |
| Màng | Hiện tượng này xảy ra trên màng có tính thấm chọn lọc. | Hiện tượng này có thể xảy ra ở bất kỳ màng nào. |
| Tốc độ của quá trình | Thẩm thấu chậm hơn khuếch tán. | Sự khuếch tán nhanh hơn sự thẩm thấu |
| Trung bình | Thẩm thấu chỉ có thể xảy ra trong môi trường lỏng. | Sự khuếch tán có thể xảy ra trong mọi môi trường, bao gồm rắn, lỏng và khí. |
| Các loại giải pháp | Hiện tượng này xảy ra trong các chất lỏng không đồng nhất có màng thấm chọn lọc. | Xảy ra ở cả dung dịch đồng nhất và không đồng nhất. |
| Quy định | Được kiểm soát bởi sự chênh lệch nồng độ chất tan qua màng. | Nó có thể bị ảnh hưởng bởi các yếu tố bên ngoài (như nhiệt độ). |
| Kiểm soát quá trình | Quá trình thẩm thấu có thể bị dừng lại hoặc thậm chí đảo ngược bằng cách tạo ra áp suất bằng hoặc lớn hơn áp suất thẩm thấu. | Áp suất không thể ngăn chặn hoặc đảo ngược quá trình khuếch tán. |
| Ví dụ | Sự hấp thụ nước của rễ cây | Sự trao đổi oxy và carbon dioxide ở phổi. |
Điểm tương đồng giữa khuếch tán và thẩm thấu
Sự khuếch tán và thẩm thấu có những điểm tương đồng đáng kể vì cả hai đều liên quan đến sự chuyển động của các phân tử. Sau đây là một số điểm tương đồng giữa sự khuếch tán và thẩm thấu:
- Quá trình thụ động: Khuếch tán và thẩm thấu là các quá trình thụ động, nghĩa là chúng không đòi hỏi năng lượng từ tế bào hoặc sinh vật. Độ dốc nồng độ gây ra chuyển động tự phát.
- Di chuyển từ nồng độ cao đến nồng độ thấp: Cả khuếch tán và thẩm thấu đều di chuyển từ nơi có nồng độ cao đến nơi có nồng độ thấp. Chuyển động này tiếp tục cho đến khi đạt được trạng thái cân bằng.
- Tác động của gradien nồng độ: gradien nồng độ ảnh hưởng đến tốc độ khuếch tán và thẩm thấu, chuyển động nhanh hơn khi chênh lệch nồng độ lớn hơn.
- Mục đích đạt được trạng thái cân bằng: Cả hai quá trình cuối cùng đều hướng đến trạng thái cân bằng, xảy ra khi nồng độ chất tan hoặc hạt ở cả hai bên màng bằng nhau. Khi đạt được trạng thái cân bằng, không có chuyển động ròng của các phân tử.
- Bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ: Cả hai quá trình đều bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ. Nhìn chung, việc tăng nhiệt độ gây ra tốc độ khuếch tán và thẩm thấu nhanh hơn vì nó làm tăng động năng của các phân tử.
- Quan trọng trong hệ thống sinh học : Cả khuếch tán và thẩm thấu đều là những quá trình quan trọng trong hệ thống sinh học. Chúng thực hiện các chức năng quan trọng trong việc hấp thụ dinh dưỡng, thải bỏ chất thải và cân bằng nội môi của tế bào và cơ thể.
Trong khi khuếch tán bao gồm chuyển động của bất kỳ loại hạt nào, thẩm thấu là dòng chảy của các phân tử nước qua một màng có tính thấm chọn lọc. Mặc dù đa dạng, các hoạt động này chia sẻ các nguyên tắc cơ bản và rất cần thiết cho hoạt động bình thường của các sinh vật sống.
