تناضح

تناضح عكسي

كذلك، يتم التناضح العكسي أو «الضغط الأسموزي المعكوس» عن طريق رفع الضغط في نظام مكون من ماء ومحلول به مادة ذائبة ويفصلهما غشاء نصف نافذ. يعمل رفع الضغط فوق ناحية ماء المحلول على زيادة تركيز المحلول (يعمل رفع الضغط على المحلول على إجبار جزيئات الماء المرور عبر الغشاء في الاتجاه المعاكس، أي من المحلول إلى الماء العذب). وتستعمل تلك الطريقة في فصل الماء العذب عن ماء البحر المالحة. ولكن لابد من بذل طاقة لتوليد هذا الضغط.

علاوةً على ذلك، (في عملية استخلاص ماء عذب من ماء البحر يتم عادة عن طريق تبخير مياه البحر وتكثيف البخار. أي يتم هذا عن طريق إمداد ماء البحر الموجود في غلاية بطاقة حرارية من الخارج لإجراء التبخير. ويعطينا الضغط الأسموزي المعكوس طريقة ثانية لاستخلاص ماء عذب من ماء البحر (اقرأ محطة تناضح عكسي). أي تتفق الطريقتان في كونهما تحتاجان إلى طاقة خارجية لفصل الملح عن الماء، وهذا ما تقوله قوانين الترموديناميكا.

الصيغة الثرموديناميكية

وفي السياق ذاته، حيث الأرقام (1) و (2) مميزة للمحلولين في الخلية الأسموزية على ناحيتي الغشاء النصف نفاذ. وعندما يكون الغشاء نافذا لأحد المواد (مثل مادة سائل المذيب)، فيمكن وصف العلاقة بين الإنثالبي الحر G وكمية المادة بالعلاقتين:

وفي هذا الصدد، فيكون التغير في الإنثالبي الحر الكلي في الخلية الأسموزية مساويا لمجموع التغيرين للإنثالبي في طوري النظام:

حيث:

وفي هذا الصدد، تجري الظاهرة الأسموزية من تلقاء نفسها فهي عملية «خلط» - تنفصل مادة من طورها وتختلط في مادة أخرى مكونة طور جديد. وتسبب عملية تجري من تلقاء نفسها في نظام مغلق إلى خفض الإنثالبي الحر (طاقة غيبس الحرة) وارتفاع في أنتروبية النظام. وفي حالة الظاهرة الأسموزية تعمل الخاصية المميزة للغشاء النصف نافذ على منع تساوي التركيز على ناحيتي الغشاء عند الوصول إلى التوازن الترموديناميكي - فيوجد لدينا طورين للمادة منفصلان عن بعضهما في جميع الأزمنة. (في الواقع يمكن القول بأن النظام يتكون من ثلاثة أطوار، إذا أخذنا الغشاء كذلك في الاعتبار).

ونظرا لكون الكمية المكتسبة في الطور

• (2) يعادل الكمية المفقودة من الطور (1) فينتج للتغير الكلي في الإنثالبي الحر:
• وبالتالي:
• وطالما لم يصل النظام إلى حالة التوازن الترموديناميكي
• ، فينطبق بالنسبة إلى الكمونات الكيميائية:

تفسير أساسي

وفي هذا السياق، تفسير مرور الماء عبر الغشاء النصف نافذ من الماء إلى محلول ملحي: تتصرف حبيبات الملح الذائبة في الماء كما لو كانت غازا، ويكون لها ضغط معين يعتمد على تركيز المحلول. هذا الضغط يحاول أن يزيد من حجمه وذلك بالضغط على سطح المحلول في الأنبوب من أسفل إلى أعلى. فيرتفع سطح المحلول ساحبا معه ماء من الناحية الأخرى للغشاء (الغشاء يسمح بمرور جزيئات الماء ولا يسمح بمرور جزيئات الملح). يرتفع عمود المحلول تحت هذا الضغط الداخلي فيه (ضغط جزيئات الملح) وينخفض عمود الماء في ناحية الماء النقي.

من جانب آخر، يقع التناضح عند وجود غشاء شبه نافذ. عند إغراق خلية في كأس من الماء جزيئات الماء تمرّ من الوسط المنخفض التركيز (hypotonic) خارج الخلية إلى الوسط مرتفع التركيز (hypertonic) في الخلية عبر الغشاء شبه النافذ لتحقيق حالة توازن للضغط (isotonic). الغشاء نافذ بطريقة انتقائية فهو يسمح فقط بمرور مواد معينه ويمنع مرور مواد غيرها

أمثلة على عملية التناضح

من جهة ثانية، عملية التناضح عملية حيوية وموجودة في الكثير من العمليات الطبيعية ومنها:

ومن ناحية أخرى، يستغل التناضح في التقنية لفصل المواد، وطبيا في الغسيل الكلوي (تنقية دم المريض من البول عند مرضى الكلى المصابين بقصور كبير في عمل الكلى).

في هذا الإطار، انتقال الماء من وإلى الخلايا الحية مثل خلايا النباتات والهيموغلوبين وخلايا بشرية أخرى وغيرها.

الضغط الأسموزي للمحاليل غير المثالية

• وبافتراض أن العملية تتم في درجة حرارة ثابتة، تتبسط المعادلة إلى:
• وعندما يكون الضغط المحيط متساويا يبلغ التغير في الضغط الأزموزي:
• أي أن الضغط الأزموزي ينتج من التركيزات المولية

وعلى صعيد آخر، الناشئة عن تغير جميع الكمونات الكيميائية . وقد أخدت في هذه المعادلة تأثيرات الخلط في الاعتبار. وفي أغلب الأحوال نهمل تلك التأثيرات التي تحدث بين المواد الذائبة بعضها البعض وكذلك تركيز السائل المذيب:

وعلى صعيد آخر، كما يمكننا تبسيط المعادلة مرة ثانية بإهمال التآثر بين الجزيئات الذائبة وجزيئات السائل المذيب كذلك. في تلك الحالة يمكن اعتبار الفاعلية الكيميائية لتلك المواد مساوية 1، ونصل إلى معادلة تقريبية:

وفي هذا الصدد، يُسمى الضغط الأزموزي السالب الإشارة أحيانا «الجهد الأزموزي» ويرمز له بالرمز .

وعلى صعيد آخر، لا ينطبق قانون فان هوف عل المحاليل غير المثالية (المحاليل المركزة) حيث يحدث فيها تآثر بين الجزيئات بعضها البعض ولا يمكن إهمالها. عندئذ لا بد من استخدام الكمون الكيميائي من معادلة جيبس العامة. في حالة التوازن الترموديناميكي يبلغ الإنثالبي الحر (طاقة غيبس الحرة) في الخلية الأزموزية نهاية صغرى:

في هذا الإطار، ولكن يجب ملاحظة أن هذا التقريب يؤدي عند التركيزات العالية إلى أخطاء قد تصل إلى 50 %، خصوصا بسبب إهمالنا للتآثرات بين الجزيئات بعضها البعض.

تحلية المياه

ومن جهة أخرى، يُستعمل أسلوب اسمه «الضغط الإسموزي العكسي» لتحلية مياه البحر ومياه الآبار واستخراج ماء عذب منها. تلك العملية تتم بطريقة معكوسة لظاهرة الضغط الإسموزي المعروفة طبيعيا. في تلك الطريقة يوضع الماء المالح تحت ضغط عال، أعلى من الضغط الإسموزي، فتنتقل جزيئات الماء من الماء المالح إلى الماء العذب عبر الغشاء، ونحصل على ماء عذب. تعتمد تلك الطريقة على مقدار الضغط المسلط على المحلول وعلى نوع الغشاء. وتوجد أبحاث كثيرة بغرض الوصول إلى التركيبة المثلى للغشاء بالطرق الكيميائية للارتفاع بكفاءة عملية الفصل.

وعند الوصول إلى حالة التوازن

من جهة ثانية، شرط الوصول إلى حالة التوازن في الظاهرة الأسموزية يعتمد على أن تكون الكمونات الكيميائية للمادة التي تعبر الغشاء (وهي تكون في الغالب السائل المذيب) تكون كموناتها على الناحيتين متساوية. وطالما كان في النظام اختلاف في الكمونين فسوف تنتقل جسيمات للمادة في اتجاه الكمون المنخفض.

:

من جهة ثانية، هذا بالنسبة إلى مادة واحدة مذابة في سائل. أما إذا كان لدينا عدة مواد ذائبة في السائل فلابد من صياغة العلاقات المذكورة أعلاه بأخذ الكمونات الكيميائية لجميع المواد المذابة في الاعتبار (أنظر قسم الجهد الأسموزي في المحاليل الغير مثالية).

غسيل الكلى

من جانب آخر، تستعمل أغشية في عملية غسيل الكلى لها خاصية السماح لجزيئات وأيونات يبلغ حجمها أقل من حجم معين، وفي نفس الوقت تكون مانعة لمرور جزيئات بروتين أو أحماض نوكليين. بتلك الطريقة يمكن فصل مواد ذات تركيب جزيئي صغير الحجم وعزلها أو خفض كمياتها إلى مستويات مناسبة. يُملأ - بحسب الطريقة المستعملة - المحلول الديالي في وعاء (خرطوم ديالي) ويغطس هذا في محلول ديالي ويبقى فيه فترة زمنية. أو يبقى المحلول المراد دياليته، مثلما في حالة ديال الدم، معزولا بواسطة غشاء عن محلول التنقية. وتطبق طرق الديال في الطب بغرض تنظيف الدم، كما تُستغل في الصناعة وفي هندسة العمليات الصناعية (مثل تحضير البيرة الخالية من الكحول).

أمثلة من التناضح

ومن جهة أخرى، يمكن مشاهدة التناضح كذلك عند وضع شرائح البطاطا في محلول من الماء المالح، فبعد مدة تبدأ هذه الشرائح في فقدان الماء والانكماش. كما نشاهد في مزارع الكرز انفجار ثمرات الكرز عند هطول مطر لمدة طويلة حيث تمتص الثمرة - بما فيها من محلول سكري - ماء زائدا عن الحد ويتمزق غلافها.

ومن ناحية أخرى، الضغط التناضحي أو الضغط الإسموزي هو السبب الرئيسي لامتصاص النباتات للماء، فماء التربة بصفة عامة يكون ضغطه التناضحي أقل من الضغط الموجود داخل الشعيرات الماصة في الجذور مما يؤدي إلى مرور الماء من التربة إلى الجذور وليس العكس. عندما توضع خلية من نبتة في محلول مرتفع التركيز تبدأ هذه النبتة في الانكماش بسبب خروج الماء منها وانتشاره في المحلول مرتفع التركيز لتكوين حالة توازن للضغط.

محطة قوى بالضغط الأسموزي

كذلك، بنيت فكرة محطة القوى التي تعمل بالضغط الأسموزي علي استغلال الشغل الناتج من الضغط الأسموزي لإنتاج الطاقة. وتستغل محطة القوى الفرق في الكمون الكيميائي بين ماء البحر المحتوي على الملح والكمون الكيميائي للماء العذب، وتشغيل عنفة يحرك مولد كهربائي لإنتاج التيار الكهربائي.

إضافةً إلى ذلك، وقد أنشئت محطات قوى تجريبية للعمل بهذه الطريقة بغرض دراستها وتحسينها، ولكن لم تدخل حيز التطبيق الصناعي لإنتاج الطاقة. تصل قدرة المحطات التجريبية إلى نحو 3 ميجاوات وتعمل منذ عدة سنوات ويجرى تطويرها وتحسينها. وقد شيدت أول محطة طاقة صغيرة في النرويج في خليج أوسلو في نوفمبر 2009 وتسمى محطة توليد الطاقة بـ«ستاتكرافت» وهي في الوقت الحالي أكبر محطة تستغل ضغط التناضح لإنتاج الكهرباء.

• انظر كذلك
• تناضح عكسي
• تناضح كهربائي
• محطة تناضح عكسي
• انتشار
• توازن ترموديناميكي
• محطة هوروم للتناضح العكسي
• توترية
• طاقة إسموزية

وفي السياق ذاته، يمر ماء عذب في أنبوب عبارة عن غشاء نصف نافذ خلال ماء البحر فيرتفع الضغط في الماء المالح. ويوجه جزء من الماء ذو الضغط العالي (وهو ماء نصف مالح حيث اكتسب جزءا من الماء العذب)، يوجه إلى عنفة لإدارته، بينما الجزء الأكبر من هذا الماء (2/3 الكمية) إلى مبادل للضغط يعمل على رفع ضغط ماء البحر المسحوب.

قياس الأسمولية

ومن جهة أخرى، يعتبر قياس الأسمولية بواسطة الطرق الأسموزية من أحد الأعمال الرئيسية في مجال العلوم البيولوجية. ويستعمل في حالة العمل على خلايا حية محلول منظم لتفادي حدوث تفاعلات غير مرغوبة فيها تحت تأثير الإجهاد الأسموزي. فمثلا عند فصل البروتوبلاست (جبلة مجردة) يمكن أن يتسبب استخدام محلول منظم زائد التركيز في تمزيق. وعند تركيب تلك المحاليل المنظمة في المختبر فيمكن قياس المولية الأسموزية لها ومقارنتها بالقيم المناسبة لها.

ومن ناحية أخرى، في الطب عند العلاج بالقسطرة الوريدية يستعمل محلول ملحي بغرض عدم الإضرار بخلايا الجسم عن طريق الضغط الأسموزي. وهو محلول مكون من الماء ويحتوي على 0,9 % (وزنا) من ملح الطعام، وتبلغ المولية الأسموزية لهاذا المحلول 330 mosmol/لتر وهي تعادل على وجه التقريب تلك لبلازما الدم، وهو يعادل ضغطا أسموزيا قدره 7و0 ميجا باسكال. أما في حالة استخدام ماء نقيا عند العلاج بالقسطرة الوريدية فقد يؤدي ذلك الفرق في الضغط في انفجار بعض خلايا الدم.

تطبيق قانون الغازات

في هذا الإطار، في المحاليل يعتمد الضغط الإسموزي على عدد جسيمات المادة المذابة فقط (تركيزها المولي).

من جهة ثانية، تؤدي تلك الشروط إلى قانون فان هوف للضغط الإسموزي: «الضغط الإسموزي يعادل ضغط غاز له نفس العدد من الجسيمات n عند درجة حرارة T»، فيكون:

ومن ناحية أخرى، يبلغ الضغط الإسموزي لمحلول مكون من 1 مول من المذاب في 4و22 لتر سائل مذيب 101,325 كيلوباسكال (1 ضغط جوي قياسي) عند درجة حرارة 273 كلفن (0 درجة مئوية).

• تعني في هذه المعادلة الضغط الإسموزي بوحدة باسكال.
• c = n/V التركيز المولي في المحلول.
• k ثابت بولتزمان.
• R ثابت الغازات العام.
• T درجة الحرارة المطلقة كلفن.
• ينطبق هذا القانون في صورته الحالية على سائل مخفف

• فيكون الضغط الإسموزي:
• متناسبا طرديا مع التركيز المولي للمادة المذابة.
• متناسبا طرديا مع درجة الحرارة المطلقة.

علاوةً على ذلك، (<0,1 مول /لتر) حيث أن قوانين الغازات تنطبق في حالة الضغوط المنخفضة (حيث يكون التآثر بين الجسيمات بعضها البعض مهملا).

وفي هذا السياق، تنطبق قوانين الغازات للغازات المثالية مثل قانون بويل وقانون جاي-لوساك وقانون أفوجادرو كذلك على حالة سائل مخفف.

الضغط الأسموزي في الكائنات الحية

كذلك، للضغط الأسموزي أهمية كبيرة في تكوين الكائنات الحية وسير العمليات الحيوية فيها. فكل خلية محاطة بغشاء يكون حائلا بالنسبة إلى الانتقال العشوائي للمواد، إلا الماء الذي هو السائل المذيب فيمكنه الانتقال عبر الغشاء. وحتى الخلية نفسها فيوجد في داخلها جسيمات تغطيها أغشية هي الأخرى تسمح بمرور أنواع الجزيئات. وتوجد النباتات في حالة تبادل مستمر مع الماء، حيث تمتص وتنقل وتطرد ماء. وخلايا الحيوانات الفقرية تحيطها سائل الدم والبلازما.

تطبيقات

الكمون الكيميائي الجول

كمية المادة مول التي تعبر الغشاء.