Diffusion and Osmosis

Diffusion and Osmosis

在这段视频中 我想介绍一些相互联系的内容

在某种程度上 它们非常简单

但它们也容易让人们混淆

庆幸地是我们可以做出一些进展了 这是一个良好的开头

想象一下我这儿有一个容器

就把这个当成我的容器吧 在这个容器里面

有一些水分子

只是一堆水分子

它们相互之间有摩擦

它处于液态形式

并且在水分子中有一些糖分子

我把糖分子画成粉红色的

好的 这样我就有了一些糖分子了

当然 我有多得多的水分子 我来讲的更清楚一些

那么在这种情形下 我们把这种更多的分子称为溶剂

在这里 也就是有更多的水分子

正如你能看到的一样

我不会在这里谈论摩尔或者其他相关的东西

因为你们也许并没有学过这些内容

你们只要想象哪个更多

那就是溶剂

在这里 水就是溶剂

并且少的那种

也就是糖 我们把它称作溶质

当然 溶质不一定就非得是糖

它可以是任何分子 只要比水分子少

并且我们说糖溶解在水里面

而这整个 也就是水和糖的组合

我们称之为溶液

我们称这个整体为溶液

溶液由溶剂和溶质组成 在这里溶剂是水

它的作用是溶解 在这里被溶解的物质是糖

它称为溶质

这对你们有些人来说也许只是一种复习

但是我介绍这些是有理由的

因为我想谈论扩散的知识

这个知识其实是很容易理解的

如果我还有一个相同的容器

我稍微画得有一点不一样

只是来谈一下扩散 我们待会还要回到水和糖的主题

尤其是水的主题

假设这个容器

有一些空气的粒子在里面

它可以是任何物质--比如氧气或二氧化碳

我在这里画一些空气分子

它们是气态的

比如说是气态氧

所以它们都是O2 对吧？

这是当前的状况

我们称这整个是个真空装置 并且还有一定的温度

所以这些水分子还具有动能

他们以随机的方向进行运动

我的问题是 这个容器里将会发生什么

这些小屁孩（指分子）会随机的

相互冲撞

比起它们沿着右上方向冲撞

似乎它们有更大的概率沿着左下方向冲撞

但是如果假设这些分子正沿着左下方向运动

它会撞到某种物质

然后反弹向右上方向运动

但在右上方向 却没有能够使它反弹的物质

所以整体上来说 它们的运动方向都是随机的

但是它们往右运动的可能性是更大的

因为当分子向左运动时 撞到某种物质的可能性会比较大

这是常识

如果你让这个系统达到某种平衡

我不打算详细解释这是什么意思

你如果看热力学的视频 就会明白了

最终你会看到这个容器看起来像这样

当然我并不能保证

有可能它会变成这样

但是更可能的是这五个颗粒

变得相对地分散开

这就是扩散 所以实际上就是粒子向外分布

或者说分子从浓度高的的地方向浓度低的地方运动

在这种情况下 这些分子会以这种方向分散

从高浓度的地方向低浓度的地方运动

你们会问 浓度又是什么呢？

测量浓度的方法有很多

你可以用体积摩尔浓度等方法来计算

但是简单的方法是

观察每单元的空间中有多少粒子

所以这里每单元的空间有很多粒子

而这里 基本没有粒子

所以这里是高浓度区域而这里是低浓度区域

因此你也可以想象出其他类似的方法

你可以想象一个溶液--我们画一个像这样的物体

我们有两个容器

我们再回到溶液的状态下

这是气体 我刚刚就是用这个例子开始讲课的

现在我们继续用这个例子

在这里有一个门

比水分子和糖分子都要大

在门两边 我们都有一些水分子

这里有许多水分子

如果这里只有水分子-

它们全都随机地运动

水分子向这个方向运动的机率

与水分子向这个方向运动的机率是一样的

假设两边的水分子数目是相当的

不然两边的压力会不同

假设两边水的高度是一样的

这样就没有其他方向的压力

因此如果因为某个因素

一些水分子要向右边运动

那么很快这里就会有更多的水

我们知道这是不可能发生的

因为这两个容器里只有水

现在我们放一些溶质进去

溶解一些溶质

我们先假设在左半部分进行溶解过程

因此我们在左边放一些糖分子

当然这些粒子足够小 以便它们可以经过这个小的管道

这是我做的一个假设 那么下面将会发生什么呢？

它们都有动能

它们到处碰撞

某一段时间里 这些水分子将会来回不停地运动

这个水分子向这个方向运动

那个水分子向那个方向运动 但是互相抵消

但一段时间内 这些大的糖分子中

有一个会以向右的方向运动

这个分子没有以这样的方向运动

而是向右运动

它通过连接这两个容器的通道

然后它停在这个地方

接着它将继续不停地在周围碰撞

也有可能它会回去

但即使这样 还会有更多的糖分子到这里来

因此糖分子以这个方向运动的可能性

要远远大于以这个方向运动的可能性

因此你可以想象如果你用非常大的数目将会是怎样的结果

我只用了四个来演示

过一段时间 这个粒子将会分散开

因此两边的浓度将会大致相等

因此过段时间这儿应该会有两个糖分子

但是因为你只用了三个、四个或者五个分子

也有可能最后的结果不是这样的

但是如果你使用了大量的糖分子 并且它们都相当小

两边平均分布的可能性就相当相当大了 不管怎样

这样一个过程总是

分子从高浓度的容器

向低浓度的容器运动

这就是扩散

这样我们也学会了一些

能表达扩散的词

刚开始 这儿有着更高的浓度

即左边有着更高的浓度

这是相对的 它比这边的浓度更高

这边的浓度相对比较低

它们有相应的专业名词

这边高浓度的溶液称为高渗溶液

我用黄色字体写下来

高渗 顾名思义就是里面包含很多物质

而这边低浓度的称为低渗溶液

你可能听你的亲戚说过

如果他们没有吃饱 他们会说自己血糖过低

这意味着他们感觉头昏眼花

因为他们的血液中没有足够的糖分

他们感觉自己快要晕过去 因此他们想饱餐一顿

如果你刚刚吃过一块糖 也许你会血糖过高

或许血糖成分只是高一点

了解这些很好 但是我们还是谈论高渗

高渗--你拥有很大量的溶质 浓度很高

还有低渗 就是溶质不多

因此你的浓度很低 这些是很好的专业名词

因此 概括来说

扩散指（在没有障碍物的情况下）

溶质从高浓度或高渗溶液

当然 这是在允许的情况下

向低浓度亦即低渗溶液流动

现在 我们来做一个有趣的实验

我们已经讨论了扩散

到现在为止我们讨论的都是关于溶质的扩散

但是 绝大部分情况下 不一定总是这样

一般情况下

溶质总是数量少的那部分

而溶剂总是数量多的那部分

最常见的溶剂是水

但不一定就得是水 它也可以是某种酒精

也可以是水银 甚至也可以是一堆分子

但在大部分生物或化学系统中

水是典型的溶剂

它是其它物质被溶解的地方

那么 如果我们有一个通道

通道的大小不能使溶质通过

但是却可以让水分子自由通过 又会发生什么呢？我们思考一下

为了思考这个问题

我们来做一些有趣的事情

假设我们有一个容器

实际我并不想画一个容器

我们只要假设我们有一个拥有水的外界环境

假设这就是外界环境

而你有某种薄膜片

水分子可以自由进出这个膜片 它是半渗透的

这样说吧 水分子是可以自由穿过膜片的

但是溶质分子却不能穿过它

假设这里溶质是糖

在膜片的里外都有水

这里是一些小的水分子

这是膜片

当然我只是随便用了糖 它可以是任何物质

我们也有一些糖分子

这些糖分子稍微有点大

当然也可以大很多

事实上 它们比水分子大多了

我们有很多糖分子 我只画四个

记得事实上我们有大量的糖分子

我们有更多的水分子

我只是想说明我们有更多的水分子

并且这个薄膜是半渗透的

可渗透意味着它允许物质穿过

半渗透的意思是它并不是完全可渗透的

因此在这里

我所说的半渗透是指能够让水穿过

因此水分子可以穿过 但是糖分子却不能 因为糖分子太大了

因此如果我们放大薄膜片

它可能看起来像这样

我来放大这一块薄膜

薄膜上的孔就像这样

水分子也许就像这么大

因此它们可以穿过这些孔

水分子可以自由穿过这些孔

而糖分子却有这么大

因此它们不能穿过这些孔

对于这个孔来说

它们太大了 所以不能自由通过

在这种情况下 你觉得会发生什么呢？

首先 我们接下来使用专业名词 记住 糖是溶质

水是溶剂 薄膜是半渗透的

薄膜两边的浓度又是怎样呢？

薄膜里面是高渗溶液

薄膜外面是低渗溶液

现在 如果这些孔足够大

这些分子将到处碰撞

水分子随机的运动 并且各个方向的概率都是一样的

我马上会讨论这个问题

如果孔足够大 所有的运动都是等可能的

如果这些孔都足够地大

这些分子最终会碰撞到这边

最终 两边的浓度将会大致相等

这是传统的扩散

溶质由高浓度往低浓度运动

但这种情形下 这些糖分子不能穿过这些孔

只有水分子可以来回地穿过 如果这里没有这些糖分子

水分子向这个方向运动的概率

和向那个方向运动的概率将是一样的

但是这里这些糖分子在右边

在这里糖分子是在薄膜的里面

这是薄膜的里面部分

由于这些糖分子可能处在入口的位置上

因此水分子处于入口上位置的可能性将很少

因此水分子处于入口上位置的可能性将很少

因此水分子进去的可能性要大于出去的可能性

我想更详细地解释

如果这些糖分子不在这里

显然 水分子在不同方向上运动的概率将是一样的

既然现在糖分子在这里

它们可能在右边这部分

它们会成为阻碍 我想思考这个问题的最好方法是

认为它阻碍了孔的入口

它们自己不能够穿过这些孔

也许也不会阻碍这些孔的入口

而是以随机的方向运动

水分子向孔运动是随机性的

而这里有大量的水分子

因此它们被阻碍穿出孔的可能性更大

但是薄膜外面的水分子

由于没有什么阻碍它们进去

因此水将往里面流

因此在这种半透膜情形下

水将向里面流

水将向里面流

这很有趣

溶剂从低浓度的地方

向高浓度的地方运动

但是如果你反过来思考

如果你把糖当成溶剂 那么你可以说

水是从高浓度的地方流向低浓度的

我不想让你感到太困惑

而这就是困惑人们的地方

你们只要思考接下来会发生什么

不管在怎样的状态下

溶液总是倾向于平衡它们的浓度

让两边的浓度尽可能相等

这不是什么魔法 溶液是不大可能知道这些的

这取决于概率和分子之间相互的碰撞

只是在这种状态下 水分子更有可能流进容器

因此它会从低浓度的一边

因此它会从低浓度的一边

流向拥有糖分子的高浓度的那边

并且如果这个薄膜是可以伸展的

更多的水将持续流进来并且薄膜会伸展变大

我不想详细地讨论这个问题

但是这里水作为溶剂

水作为溶剂通过半透膜扩散

被称为渗透

你可能听说过通过渗透学习的方法

如果你把一本书放在你的头旁边

也许它会渗透进你的大脑 这是同样的道理

这就是这个单词的来源

水通过薄膜渗透

试图让两边的溶液浓度相等

因此 如果说这边是高浓度

这边是低浓度 在没有薄膜的情况下

这些大分子可以出去

但是因为这儿有个半透膜 因此它们不能出去

因此系统依靠概率- 没有任何魔法

更多的水将进去来平衡两边的浓度

如果这儿也有一些糖分子

没有这边的浓度高 如果所有的分子都随机地运动

你将会到达这样一个点上

这边的浓度

和右边的浓度将大致相等

因为右边将会充满水

也有可能体积变得更大

然后 水分子向右运动的概率

将和水分子向左运动的概率相同

这样又达到了一种平衡状态

我想解释得更详细一些 扩散意味着任何粒子

都会从浓度高的地方

向浓度低的地方分散

渗透是水的扩散

通常你所谈论的关于水的扩散

经常处于半透膜的情形下

这种情形下溶质不能穿过半透膜

希望讲的东西对大家有用 并且不会令你们太困惑