ยกตัวอย่าง การแพร่และออสโมซิส

การแพร่และการออสโมซิสแตกต่างกันอย่างไร

การแพร่ (diffusion) ของโมเลกุลของสารเป็นการเคลื่อนที่ของโมเลกุลจากจุดที่มีความเข้มข้นสูงกว่า ไปยังจุดที่มีความเข้มข้นต่ำกว่า การเคลื่อนที่นี้เป็นไปในลักษณะทุกทิศทุกทาง โดยไม่มีทิศทางที่แน่นอนผลจากการเคลื่อนที่อันนี้จะทำให้ความเข้มข้นของโมเลกุลของสารในภาชนะที่มีเนื้อที่จำกัดนั้น มีความเข้มข้นเท่ากันหมดตัวอย่างของการแพร่ที่พบได้เสมอ คือ

ก. การแพร่ของเกลือในน้ำ
ข. การแพร่อขงน้ำหอมในอากาศ

นอกจาก 2 ตัวอย่างทียกมาให้ดูแล้วยังมีตัวอย่างอีกมากมายที่เราพบได้ในชีวิตประจำวัน เช่น การฉีดดีดีทีฆ่าแมลง การเติมน้ำตาลลงในถ้วยกาแฟ การหยดหรือแต่น้ำหอมตามเสื้อผ้า กลิ่นลูกเหม็นกันแมลง ควันจากท่อไอเสียรถยนต์ เป็นต้น

ในปีค.ศ. 1828 (พ.ศ. 2371) รอเบิร์ต บราวน์ ได้สังเกตปรากฏการณ์อย่างหนึ่ง โดยพบว่า เมื่อเกสรดอกไม้ตกลงในน้ำ เกสรนั้นจะมีการเคลื่อนที่อย่างไม่มีทิศทางแน่นอนต่อมาจึงเรียกการเคลื่อนที่อย่างไม่มีทิศทางแน่นอนหรือ ไร้ทิศทางนี้ ว่า การเคลื่อนที่แบบบราวเนียน (Brownian movement) และแอลเบิร์ต ไอน์สไตน์ (Albert Einstein) ได้ให้เหตุผลว่า การเคลื่อนที่ของเกสรดอกไม้ที่เรียกว่า การเคลื่อนที่แบบบราวเนียนนั้นเกิดจากโมเลกุลของน้ำเคลื่อนที่เข้าชนเกสรดอกไม้อยู่ตลอดเวลา ทำให้เกสรดอกไม้เคลื่อนที่ได้

ปัจจัยที่มีผลต่อการแพร่
ความเร็วของการแพร่จะมากหรือน้อย เร็วหรือช้าขึ้นอยู่กับ

1.อุณหภูมิ ในขณะที่อุณหภูมิสูง โมเลกุลของสารมีพลังงานจลน์มากขึ้น ทำให้โมเลกุลเหล่านี้เคลื่อนที่ได้เร็วกว่า เมื่ออุณหภูมิต่ำ การแพร่จึงเกิดขึ้นได้เร็ว

2.ความแตกต่างของความเข้มข้น ถ้าหากมีความเข้มข้นของสาร 2 บริเวณ แตกต่าง แตกต่างกันมากจะทำให้การแพร่เกิดขึ้นได้เร็วขึ้นด้วย เนื่องจากบริเวณที่มีความเข้มข้นมากโมเลกุลมีโอกาสชนและกระแทกกันมากทำให้โมเลกุลกระจายออกไปยังบริเวณที่มีความเข้มข้นน้อยกว่าได้เร็วกว่า เมื่อความเข้มข้นใกล้เคียงกัน
3.ขนาดของโมเลกุลสาร สารที่มีขนาดโมเลกุลเล็กจะเกิดการแพร่ได้เร็วกว่าสารโมเลกุลใหญ่ เนื่องจากสารโมเลกุลเล็กสามารถแทรกไประหว่างโมเลกุลของสารตัวกลางได้ดีกว่าสารโมเลกุลใหญ่ สารโมเลกุลเล็กจึงแพร่ได้ดี

4.ความเข้มข้นและชนิดของสารตัวกลาง สารตัวกลางที่มีความเข้มข้นมากจะมีแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลของตัวกลางของตัวกลาง ทำให้โมเลกุลของสารเคลื่อนที่ไปได้ยาก แต่ถ้าหากสารตัวกลางมีความเข้มข้นน้อยโมเลกุลของสารก็จะเคลื่อนที่ได้ดีทำให้การแพร่เกิดขึ้นเร็วด้วยสารต่าง ๆ สามารถผ่านเข้าออกเยื่อเซลล์ได้ในอัตราเร็วที่แตกต่างกัน น้ำเป็นสารที่ผ่านเยื่อเซลล์ได้ดีที่สุดรองลงมาเป็น ก๊าซที่ละลายน้ำ สารอินทรีย์ สารประจุลบ และสารประจุบวก ซึ่งมีอัตราเร็วในการผ่านเยื่อเซลล์ได้น้อยที่สุด

ตัวอย่างการแพร่ของน้ำหมึก

ออสโมซิส
เป็นการแพร่ของเหลวผ่านเยื่อบาง ๆ ซึ่งตามปกติจะหมายถึง การแพร่ของน้ำผ่านเยื่อหุ้มเซลล์ (cell membrane) เนื่องจากเยื่อหุ้มเซลล์มีคุณสมบัติในการยอมให้สารบางชนิดเท่านั้นผ่านได้ การแพร่ของน้ำจะแพร่จากบริเวณที่เจือจางกว่า (มีน้ำมาก) ผ่านเยื่อหุ้มเซลล์เข้าสู่บริเวณที่มีความเข้มข้นกว่า (มีน้ำน้อย) ตามปกติการแพร่ของน้ำนี้จะเกิดทั้งสองทิศทาง คือ ทั้งบริเวณเจือจาง และบริเวณเข้มข้น แต่เนื่องจากน้ำบริเวณเจือจางแพร่เข้าสู่บริเวณเข้มข้นมากกว่า จึงมักกล่าวกันสั้น ๆว่า ออสโมซิสเป็นการแพร่ของน้ำจากบริเวณที่มีน้ำมาเข้าไปสู่ในบริเวณที่มีน้ำน้อยกว่าโดยผ่านเยื่อหุ้มเซลล์

แรงดันออสโมติกเกิดจากการแพร่ของน้ำจากบริเวณที่มีน้ำมาก (เจือจาง) เข้าสู่บริเวณที่มีน้ำน้อย (เข้มข้น) แรงดันของน้ำนี้จะดันให้ของเหลวขึ้นไปในหลอดได้ ในขณะที่ยังไม่สมดุลของเหลวก็จะขึ้นไปบนหลอดได้เรื่อย ๆ และเมื่อเกิดการสมดุลระดับของของเหลวในหลอดจะคงที่ แรงดันออสโมติกของสารละลายแต่ละชนิดจะแตกต่างกัน น้ำบริสุทธิ์เป็นของเหลวที่มีแรงดันออสโมติกต่ำสุด

จากวิดีโอจะเห็นโมเลกุลของน้ำทางด้านซ้ายมือซึ่งมีจำนวนมากกว่า แพร่ผ่านมาทางซ้ายมือซึ่งมีจำนวนโมเลกุลของน้ำน้อยกว่า

ตัวอย่างต่อไปนี้เป็นการทดลองให้เห็นว่าน้ำในบีกเกอร์(อยู่นอกกระดาษเซลโลเฟน)จะแพร่ผ่าน(ออสโมซิส)เข้าไปในถุงกระดาษเซลโลเฟนทำให้ระดับของเหลวในหลอดแก้วสูงขึ้น

วิทยาศาสตร์น่ารู้ เรื่อง การแพร่ของสาร (Diffusion)

การแพร่ของสาร (Diffusion) คือการเคลื่อนที่ของโมเลกุลหรือการกระจายตัวของอนุภาคภายในสสาร จากบริเวณที่มีความเข้มข้นสูงไปยังบริเวณที่มีความเข้มข้นต่ำ โดยอาศัยพลังงานจลน์ (Kinetic Energy) ของโมเลกุลหรือไอออนของสาร ให้เกิดการกระจายตัวอย่างสม่ำเสมอ เพื่อสร้างสมดุลให้ทั้งสองบริเวณมีความเข้มข้นของสารเท่ากันหรือที่เรียกว่า “สมดุลของการแพร่” (Diffusion Equilibrium) โดยการแพร่นั้นเกิดขึ้นได้ในทุกสถานะของสสาร ทั้งของแข็ง ของเหลว และก๊าซ

ในชีวิตประจำวันของเรามีตัวอย่างของกระบวน การแพร่ของสาร เกิดขึ้นมากมาย เช่น การเติมน้ำตาลลงในกาแฟ การแพร่กระจายของกลิ่นน้ำหอม การฉีดพ่นยากันยุง การแช่อิ่มผลไม้ หรือแม้แต่การจุดธูปบูชาพระ เป็นต้น

 ประเภทของการแพร่

1. การแพร่ธรรมดา (Simple Diffusion) คือการเคลื่อนที่ของสาร โดยไม่อาศัยตัวพาหรือตัวช่วยขนส่ง (Carrier) ใดๆ เช่น การแพร่ของผงด่างทับทิมในน้ำ จนทำให้น้ำมีสีม่วงแดงทั่วทั้งภาชนะ การได้กลิ่นผงแป้ง หรือการได้กลิ่นน้ำหอม เป็นต้น

2.การแพร่โดยอาศัยตัวพา (Facilitated Diffusion) ซึ่งเกิดขึ้นเฉพาะในเซลล์ของสิ่งมีชีวิตเท่านั้น คือการเคลื่อนที่ของสารบางชนิดที่ไม่สามารถแพร่ผ่านเยื่อหุ้มเซลล์ได้โดยตรง จึงต้องอาศัยโปรตีนตัวพา (Protein Carrier) ที่ฝังอยู่บริเวณเยื่อหุ้มเซลล์ทำหน้าที่รับส่งโมเลกุลของสารเข้า-ออก โดยมีทิศทางการเคลื่อนที่จากบริเวณที่มีความเข้มข้นสูงไปยังบริเวณที่มีความเข้มข้นต่ำ เช่น การลำเลียงสารที่เซลล์ตับและเซลล์บุผิวลำไส้เล็ก หรือการเคลื่อนที่ของน้ำตาลกลูโคสเข้าสู่เซลล์กล้ามเนื้อ เป็นต้น

 ปัจจัยที่มีผลต่อการแพร่

1. สถานะของสาร: สารที่มีสถานะเป็นก๊าซจะมีอนุภาคเป็นอิสระมากกว่า ส่งผลให้เกิดการแพร่ได้รวดเร็วยิ่งกว่าสารในสถานะของเหลวและของแข็ง
2. สถานะของตัวกลาง: ตัวกลางที่มีความหนืดสูงหรือมีอนุภาคอื่นเจือปน มักทำให้กระบวนการแพร่เกิดขึ้นได้ช้า ดังนั้น ตัวกลางที่มีสถานะเป็นก๊าซจึงมักมีแรงต้านทานต่ำที่สุด ส่งผลให้มีอัตราการแพร่สูงสุด
3. ขนาดอนุภาค: สารที่มีขนาดของอนุภาคเล็กมักเคลื่อนที่ได้ดี ส่งผลให้อัตราการแพร่เกิดขึ้นได้ง่ายและรวดเร็ว
4. อุณหภูมิ: ในบริเวณที่มีอุณหภูมิสูง อนุภาคของสารสามารถเคลื่อนที่ได้รวดเร็วขึ้น จากการได้รับพลังงานจลน์ที่สูงขึ้น
5. ความดัน: ความดันสูงส่งผลให้สารมีอัตราการแพร่เพิ่มสูงขึ้น
6. ความเข้มข้นของสาร: บริเวณที่มีความเข้มข้นของสารแตกต่างกันมาก การแพร่มักจะเกิดขึ้นได้ดี
7. ความสามารถในการละลายของสาร: สารที่สามารถละลายได้ดีจะส่งผลให้กระบวนการแพร่เกิดขึ้นได้รวดเร็วยิ่งขึ้น

 การแพร่ของสารผ่านเยื่อเลือกผ่านภายในเซลล์ของสิ่งมีชีวิต

1. ไดแอลิซิส (Dialysis) คือการแพร่ของตัวละลาย (Solute) ผ่านเยื่อเลือกผ่าน (Semipermeable Membrane) หรือเยื่อกั้นบางๆ เช่น เยื่อหุ้มเซลล์ จากบริเวณที่มีความเข้มข้นของสารสูงไปยังบริเวณที่มีความเข้มข้นของสารต่ำ
2. ออสโมซิส (Osmosis) คือการเคลื่อนที่ของตัวทำละลาย (Solvent) หรือน้ำผ่านเยื่อเลือกผ่านที่มีคุณสมบัติในการยอมให้สารบางชนิดผ่านได้เท่านั้น กระบวนการออสโมซิสจะมีทิศทางการเคลื่อนที่จากบริเวณที่สารละลายมีความเข้มข้นต่ำไปยังบริเวณที่สารละลายมีความเข้มข้นสูง โดยมีแรงดันที่เกิดจากกระบวนการดังกล่าวเรียกว่า “ความดันออสโมซิส” (Osmotic Pressure) ซึ่งขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของสารละลาย หากสารละลายมีความเข้มข้นสูง จะส่งผลให้เกิดความดันออสโมซิสที่สูงขึ้นตามไปด้วย ขณะที่ภายในเซลล์จะเกิด “ความดันเต่ง” (Turgor Pressure) ขึ้นจากการเคลื่อนที่หรือการออสโมซิสเข้ามาของน้ำ ซึ่งเมื่อความดันเต่งถึงจุดสูงสุด กระบวนการออสโมซิสจะถูกหยุดยั้งลง เนื่องจากเซลล์ไม่สามารถรับสสารหรือน้ำเข้ามาเพิ่มได้อีกแล้ว กระบวนการออสโมซิสที่สามารถพบเห็นได้ในชีวิตประจำวัน เช่น การแช่ผักในน้ำ และการดูดน้ำเข้าสู่รากพืช เป็นต้น

 ปัจจัยที่เกี่ยวข้องกับกระบวนการออสโมซิส

• ความเข้มข้นของสาร: เมื่อความเข้มข้นของสารแตกต่างกันมาก กระบวนการออสโมซิสจะเกิดขึ้นได้ดี
• อุณหภูมิ: เมื่อบริเวณดังกล่าวมีอุณหภูมิสูง กระบวนการออสโมซิสจะเกิดขึ้นได้ดี
• ขนาดของอนุภาค: อนุภาคที่มีขนาดเล็กส่งผลให้เกิดกระบวนการออสโมซิสได้ดี
• สมบัติของเยื่อกั้น: คุณสมบัติในการยอมให้สารเคลื่อนที่ผ่านของเนื้อเยื่อภายในเซลล์

 ประเภทของสารละลายจำแนกตามความดันออสโมซิส

สารละลายที่มีความเข้มข้นต่างกันส่งผลต่อเซลล์แตกต่างกันออกไป ดังนั้น สารละลายที่อยู่นอกเซลล์สามารถจำแนกออกเป็น 3 ประเภท ตามการเปลี่ยนแปลงของขนาดเซลล์ เมื่ออยู่ภายในสารละลายนั้นๆ

• สารละลายไฮโพทอนิก (Hypotonic Solution) คือสภาพของสารละลายภายนอกเซลล์ ซึ่งมีความเข้มข้นต่ำกว่าสารละลายภายในเซลล์ ทำให้น้ำที่อยู่ภายนอกเซลล์เกิดการเคลื่อนที่หรือออสโมซิสเข้ามาภายในเซลล์ ส่งผลให้เซลล์เต่งและแตกได้ โดยปรากฏการณ์นี้มีชื่อเรียกว่า “พลาสมอพไทซิส” (Plasmoptysis)
• สารละลายไฮเพอร์ทอนิก (Hypertonic Solution) คือสภาพของสารละลายภายนอกเซลล์ ซึ่งมีความเข้มข้นสูงกว่าสารละลายภายในเซลล์ ทำให้น้ำภายในเซลล์เกิดการเคลื่อนที่หรือออสโมซิสออกจากเซลล์ ส่งผลให้เซลล์มีขนาดเล็กลงหรือมีสภาพเหี่ยวลง โดยปรากฏการณ์นี้มีชื่อเรียกว่า “พลาสโมไลซิส” (Plasmolysis)
• สารละลายไอโซทอนิก (Isotonic Solution) คือสภาพของสารละลายภายนอกเซลล์ ซึ่งมีความเข้มข้นเท่ากับสารละลายภายในเซลล์ ทำให้การออสโมซิสของน้ำระหว่างภายในกับภายนอกเซลล์ไม่เกิดความแตกต่าง ส่งผลให้รูปร่างของเซลล์ไม่เกิดการเปลี่ยนแปลงใดๆ

สืบค้นและเรียบเรียง
คัดคณัฐ ชื่นวงศ์อรุณ

อ้างอิง

สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี (สสวท.) – https://www.scimath.org/lesson-biology/item/6976-membrane-transport

สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี (สสวท.) – https://www.scimath.org/lesson-biology/item/7450-2017-08-11-07-37-33

ศูนย์เทคโนโลยีอิเล็กทรอนิกส์และคอมพิวเตอร์แห่งชาติ – https://www.nectec.or.th/schoolnet/library/create-web/10000/science/10000-8154.html

BBC – https://www.bbc.co.uk/bitesize/topics/z9r4jxs/articles/znqbcj6

เรื่องอื่นๆ ที่น่าสนใจ: ความเป็นกรดและเบสของสารละลาย