Bản dịch tự động sơ bộ, chất lượng thấp: có thể còn lỗi và câu chữ chưa tự nhiên. Bản này sẽ được thay bằng bản dịch tốt hơn. Bản gốc →
15
Ostmos
Tiến sĩ Khoa học Vật lý và Toán học
A. A. BOROVOY
Cành cây bị cắt bắt đầu khô héo. Nhưng sau đó bạn cho nó vào nước, và sau một thời gian tương đối ngắn, các tấm vải sẽ thẳng ra, đàn hồi trở lại và chứa đầy hơi ẩm.
Tại sao chi nhánh lại chờ đợi? Lực nào khiến hơi ẩm xâm nhập vào cây và di chuyển vào bên trong cây? Điều gì giữ nước trong tế bào và ngăn không cho nó rời đi? Làm thế nào để tế bào thực vật có thể thấm nước chỉ theo một hướng: từ ngoài vào trong?
Các nhà khoa học đã cố gắng trả lời những câu hỏi này trong một thời gian rất dài, nhưng mãi đến cuối thế kỷ 19 mới đạt được sự rõ ràng nhất định. Một thời gian nữa trôi qua, và các phòng thí nghiệm đã cố gắng tạo điều kiện thuận lợi (mặc dù rất thô sơ) cho những hiện tượng tự nhiên này. Và ở nước ta, họ đã bị buộc phải làm việc thành công trong nhiều lĩnh vực khoa học và công nghệ khác nhau.
Ai đã khám phá ra không gian và bằng cách nào?
Năm 1748, nhà vật lý thực nghiệm người Pháp J. A. Nollet, khi đang nghiên cứu sự sôi của chất lỏng, đã gặp phải một hiện tượng cho đến nay vẫn chưa được biết đến. Tại một trong những người bán buôn của mình, anh ta đóng nhiệt một ly rượu bằng một màng bong bóng bò đực và ngâm nó vào đáy một chiếc bình lớn hơn bằng nước. Sau vài giờ, bong bóng phồng lên rất nhiều - nước thấm vào kính và làm tăng áp suất trong đó. Nolle đã không hiểu nhầm sự thật đáng kinh ngạc này và giải thích nó như sau: “Bàng quang của động vật có thể thấm nước hơn rượu; trong trường hợp này, tốc độ di chuyển của nước hóa ra lớn hơn tốc độ di chuyển của rượu”.
Hãy lặp lại thí nghiệm của Nollet, nhưng sử dụng ít vật liệu khan hiếm hơn - thay bong bóng tồn tại bằng một tấm giấy bóng kính và thay rượu bằng dung dịch đường.
hình 1 hiển thị một thiết bị có thể được chế tạo nhiều lần. Một ống thủy tinh rộng, phủ giấy bóng kính màu xanh lam, được hạ xuống một bình nước sạch. Giấy bóng kính được cố định để nước không chảy vào bên trong ống (có thể thực hiện việc bịt kín bằng băng dính, vòng cao su, nhựa dẻo, v.v.). Một ống thủy tinh mỏng đi vào ống dày qua nút cao su từ phía trên.
Khi bắt đầu thí nghiệm, đổ dung dịch đường vào các ống cho đến khi mực chất lỏng trong ống và trong bình trùng nhau (thời điểm này được thể hiện trên hình 1 đường đứt nét). Sau một thời gian, bạn sẽ nhận thấy rằng chiều cao của cột raster sẽ tăng lên - giống như trong thí nghiệm của Nolle, nước bắt đầu chuyển động qua màng, trong trường hợp của chúng ta là giấy bóng kính.
Hiện tượng quan sát thấy sự thâm nhập một chiều của dung môi qua vách ngăn bán thấm ngăn cách dung môi được gọi là thẩm thấu. Từ này có nguồn gốc từ tiếng Hy Lạp và chỉ có nghĩa là áp lực.
16
Lặp lại kinh nghiệm của nhà vật lý người Pháp, lần đầu tiên sự thẩm thấu được phát hiện, chúng ta hãy thử tìm hiểu hiện tượng này.
Ostmosis và khuếch tán một chiều
Chúng ta hãy nhớ điều gì xảy ra khi một chất được hòa tan trong dung môi. Các phân tử của chất xâm nhập vào dung môi và các phân tử của dung môi xâm nhập vào vùng chiếm giữ của dung môi. Sự khuếch tán lẫn nhau (thâm nhập) này dẫn đến sự cân bằng nồng độ của chất hòa tan và dung môi trong toàn bộ thể tích.
Bây giờ chúng ta hãy tưởng tượng một tình huống trong đó dung dịch và dung môi nguyên chất được ngăn cách bằng một vách ngăn bán thấm - nó cho phép các phân tử dung môi đi qua, nhưng không cho phép các phân tử chất hòa tan đi qua. Rõ ràng, trong trường hợp này, sự cân bằng nồng độ chỉ có thể xảy ra do sự khuếch tán một chiều của dung môi.
Đây chính xác là những gì sẽ xảy ra trong trải nghiệm mà chúng tôi đã cung cấp. Cellufane “đục” đối với phân tử đường, nhưng “trong suốt” đối với phân tử nước, do đó, ở cùng độ cao chất lỏng (cùng áp suất lên vách ngăn) trong bình và ống, tại thời điểm ban đầu, nhiều phân tử nước đi qua xenlulophane đi lên hơn là đi từ trên xuống dưới. Kết quả là mức chất lỏng trong bình bắt đầu rơi xuống nước và thấm vào dung dịch dưới tác dụng của lực của cái gọi là áp suất thẩm thấu. Ngay khi áp suất thủy phân của cột dung dịch cân bằng với áp suất thẩm thấu thì quá trình dừng lại. Chiều cao của cột này đóng vai trò là thước đo định lượng của áp suất thẩm thấu.
Vách ngăn bán thấm và “lồng nhân tạo”
Sau công trình của Nolle, nhiều nhà khoa học - nhà thực vật học, nhà hóa học, nhà vật lý - bắt đầu tiến hành thí nghiệm và nghiên cứu hiện tượng thẩm thấu. Đối với các vách ngăn bán thấm, họ sử dụng nhiều loại vật liệu tự nhiên: da trứng, bong bóng bò và lợn, màng, v.v.
Hình 2.
Vào giữa thế kỷ 19 (năm 1866), nhà khoa học người Đức M. Traube đã phát minh ra phương pháp sản xuất màng bán thấm nhân tạo từ đồng đen (Cu₂Fe(CN)₆). Chúng có khả năng thấm nước cao nhưng không cho phép nhiều chất khác đi qua.
Chúng ta có thể xác minh điều này với sự trợ giúp của thí nghiệm màu đỏ, được gọi là “tế bào nhân tạo”. Bạn không nên bị đánh lừa bởi công thức hóa học rườm rà của phim. Ở nhà, bạn có thể lấy nó bằng cách sử dụng các chất ban đầu là đồng sunfat (CuSO₄) và muối sắt (K₄Fe(CN)₆) - thuốc thử, tiếp tục bán ở các cửa hàng vật liệu ảnh.
Đổ dung dịch đồng sunfat yếu (khoảng 3%) vào ống nghiệm và thả một tinh thể coli máu màu vàng xuống đáy. Tinh thể phải sạch - những tinh thể tốt nhất được tách ra khỏi một tinh thể lớn trước khi thử nghiệm. Là kết quả của phản ứng
Bề mặt của tinh thể được phủ một lớp màng bán thấm. Nước thấm qua nó và làm cho “tế bào” phát triển. Lớp vỏ của “tế bào” nở ra, ở những nơi màng bị tác dụng bởi áp suất bên trong và tràn ra ngoài dữ dội thì ngay lập tức nó lại
17
một lớp vỏ bán thấm được hình thành. Vì vậy, “tế bào” dần dần có hình dạng phân nhánh. Chúng ta có thể nói rằng “tế bào nhân tạo” hoạt động giống như một sinh vật động vật.*)
Thí nghiệm kinh điển này đòi hỏi sự kiên nhẫn và chính xác; những “cây” đẹp có thể không thành công ngay lần thử đầu tiên.
Ngày nay, có thể thực hiện một thí nghiệm hiệu quả và dễ tiếp cận hơn, trong đó “cây” nhân tạo được trồng trong dung dịch thủy tinh lỏng (silicon natri Na₂SiO₃ - keo văn phòng silicat). Có thể phát triển mục tiêu “khu vườn” nếu bạn ném tinh thể coban clorua, sắt sunfat, niken clorua, mangan sunfat và nhiều chất khác vào dung dịch này (người đọc có thể tự chọn).**)
Thí nghiệm với máy đo thẩm thấu và tạo ra lý thuyết thẩm thấu
Mười năm đã trôi qua kể từ khi Traube có được màng bán thấm nhân tạo đầu tiên, và vào năm 1877, nhà thực vật học người Đức W. Pfeffer đã tạo ra một công cụ đo áp suất thẩm thấu - máy thẩm thấu. Cấu trúc mà chúng tôi đã sử dụng, tái tạo thí nghiệm của Nolle (xem hình 1), phần lớn lặp lại ý tưởng của Pfeffer.
Sử dụng osmote, nhà khoa học chỉ ra rằng áp suất thẩm thấu chỉ phụ thuộc vào nồng độ chứ không phụ thuộc vào bản chất của chất hòa tan (đối với dung dịch yếu) và tăng khi nhiệt độ tăng. Các phép đo của ông cũng cho thấy
*) Thí nghiệm được mô tả yêu cầu người thí nghiệm phải tham gia vào việc xử lý thuốc thử. Chúng không được dính vào tay, bàn của bạn, v.v. Nếu điều này xảy ra, bạn nên rửa sạch chúng ngay lập tức với nhiều nước.
**) Xem các bức ảnh được sao chép ở đây trên hình 2 và trên bìa trước của tạp chí.
Hình 3.
Do đó, lần đầu tiên người ta thu được dữ liệu định lượng về hiện tượng thẩm thấu, giúp nhà hóa học xuất sắc người Hà Lan J. H. Van’t Hoff tạo ra lý thuyết về hiện tượng này.
Năm 1887, nhà khoa học này đã hoàn thành một công trình trong đó ông chỉ ra rằng các phân tử của chất hòa tan hoạt động trong dung dịch giống như các phân tử của khí lý tưởng ở trạng thái đó. Và chất hòa tan trong trường hợp này đóng vai trò… sự trống rỗng!
Để hiểu lý luận của Van’t Hoff, chúng ta hãy thực hiện một thí nghiệm tưởng tượng. Cho một hình trụ nằm ngang chứa đầy nước được chia thành hai phần bằng nhau bằng một vách ngăn có thể trộn lẫn mà không làm rách niêm phong (hình 3). Nếu bạn hòa tan đường trong một phần của hình trụ, thì do sự khuếch tán của nước tinh khiết qua celluphan trong khu vực của chất hòa tan, áp suất ở đó sẽ tăng lên và vách ngăn bắt đầu trộn lẫn. Thể tích dung dịch sẽ tăng lên, thể tích nước sạch sẽ giảm tương ứng. Nhưng theo kết quả của giả định thí nghiệm này, các phân tử đường trong dung dịch sẽ tạo thêm áp lực lên vách ngăn. Chất hòa tan có xu hướng giãn nở và làm giãn nở cellufane - giống như chất khí có xu hướng giãn nở và làm giãn nở pít-tông tách nó ra khỏi chân không.
Với sự trợ giúp của giả định này, van’t Hoff đã có thể đưa ra tất cả các đặc điểm của hiện tượng thẩm thấu do Pfeffer phát hiện. Nhà khoa học đã rút ra một phương trình hoàn toàn giống với phương trình trạng thái của khí lý tưởng:
Trong đó π là áp suất thẩm thấu, V là thể tích dung dịch, n là số lượng phân tử của dung dịch, R là hằng số khí phổ quát, T là nhiệt độ. Người ta đã chứng minh rằng sự giống nhau giữa sự nổi lên của chất hòa tan và chất khí là rất đáng kể, đến mức có thể khẳng định sự tương tác của các phân tử của chất hòa tan với nhau.
Lý thuyết của Van’t Hoff đã được xác nhận bằng nhiều thí nghiệm. Tác giả của nó đã trở thành người đầu tiên