Diffusion and Osmosis

Diffusion and Osmosis

在這段影片中 我想介紹一些相互聯係的內容

在某種程度上 它們非常簡單

但它們也容易讓人們混淆

慶幸地是我們可以做出一些進展了 這是一個良好的開頭

想象一下我這兒有一個容器

就把這個當成我的容器吧 在這個容器裏面

有一些水分子

只是一堆水分子

它們相互之間有摩擦

它處於液態形式

並且在水分子中有一些糖分子

我把糖分子畫成粉紅色的

好的 這樣我就有了一些糖分子了

當然 我有多得多的水分子 我來講的更清楚一些

那麽在這種情形下 我們把這種更多的分子稱爲溶劑

在這裡 也就是有更多的水分子

正如你能看到的一樣

我不會在這裡談論莫耳或者其他相關的東西

因爲你們也許並沒有學過這些內容

你們只要想象哪個更多

那就是溶劑

在這裡 水就是溶劑

並且少的那種

也就是糖 我們把它稱作溶質

當然 溶質不一定就非得是糖

它可以是任何分子 只要比水分子少

並且我們說糖溶解在水裏面

而這整個 也就是水和糖的組合

我們稱之爲溶液

我們稱這個整體爲溶液

溶液由溶劑和溶質組成 在這裡溶劑是水

它的作用是溶解 在這裡被溶解的物質是糖

它稱爲溶質

這對你們有些人來說也許只是一種複習

但是我介紹這些是有理由的

因爲我想談論擴散的知識

這個知識其實是很容易理解的

如果我還有一個相同的容器

我稍微畫得有一點不一樣

只是來談一下擴散 我們待會還要回到水和糖的主題

尤其是水的主題

假設這個容器

有一些空氣的粒子在裏面

它可以是任何物質--比如氧氣或二氧化碳

我在這裡畫一些空氣分子

它們是氣態的

比如說是氣態氧

所以它們都是O2 對吧？

這是當前的狀況

我們稱這整個是個真空裝置 並且還有一定的溫度

所以這些水分子還具有動能

他們以隨機的方向進行運動

我的問題是 這個容器裏將會發生什麽

這些小屁孩（指分子）會隨機的

相互沖撞

比起它們沿著右上方向沖撞

似乎它們有更大的機率沿著左下方向沖撞

但是如果假設這些分子正沿著左下方向運動

它會撞到某種物質

然後反彈向右上方向運動

但在右上方向 卻沒有能夠使它反彈的物質

所以整體上來說 它們的運動方向都是隨機的

但是它們往右運動的可能性是更大的

因爲當分子向左運動時 撞到某種物質的可能性會比較大

這是常識

如果你讓這個係統達到某種平衡

我不打算詳細解釋這是什麽意思

你如果看熱力學的影片 就會明白了

最終你會看到這個容器看起來像這樣

當然我並不能保證

有可能它會變成這樣

但是更可能的是這五個顆粒

變得相對地分散開

這就是擴散 所以實際上就是粒子向外分布

或者說分子從濃度高的的地方向濃度低的地方運動

在這種情況下 這些分子會以這種方向分散

從高濃度的地方向低濃度的地方運動

你們會問 濃度又是什麽呢？

測量濃度的方法有很多

你可以用體積莫耳濃度等方法來計算

但是簡單的方法是

觀察每單元的空間中有多少粒子

所以這裡每單元的空間有很多粒子

而這裡 基本沒有粒子

所以這裡是高濃度區域而這裡是低濃度區域

因此你也可以想象出其他類似的方法

你可以想象一個溶液--我們畫一個像這樣的物體

我們有兩個容器

我們再回到溶液的狀態下

這是氣體 我剛剛就是用這個例子開始講課的

現在我們繼續用這個例子

在這裡有一個門

比水分子和糖分子都要大

在門兩邊 我們都有一些水分子

這裡有許多水分子

如果這裡只有水分子-

它們全都隨機地運動

水分子向這個方向運動的機率

與水分子向這個方向運動的機率是一樣的

假設兩邊的水分子數目是相當的

不然兩邊的壓力會不同

假設兩邊水的高度是一樣的

這樣就沒有其他方向的壓力

因此如果因爲某個因素

一些水分子要向右邊運動

那麽很快這裡就會有更多的水

我們知道這是不可能發生的

因爲這兩個容器裏只有水

現在我們放一些溶質進去

溶解一些溶質

我們先假設在左半部分進行溶解過程

因此我們在左邊放一些糖分子

當然這些粒子足夠小 以便它們可以經過這個小的管道

這是我做的一個假設 那麽下面將會發生什麽呢？

它們都有動能

它們到處碰撞

某一段時間裏 這些水分子將會來回不停地運動

這個水分子向這個方向運動

那個水分子向那個方向運動 但是互相抵消

但一段時間內 這些大的糖分子中

有一個會以向右的方向運動

這個分子沒有以這樣的方向運動

而是向右運動

它通過連接這兩個容器的通道

然後它停在這個地方

接著它將繼續不停地在周圍碰撞

也有可能它會回去

但即使這樣 還會有更多的糖分子到這裡來

因此糖分子以這個方向運動的可能性

要遠遠大於以這個方向運動的可能性

因此你可以想象如果你用非常大的數目將會是怎樣的結果

我只用了四個來演示

過一段時間 這個粒子將會分散開

因此兩邊的濃度將會大致相等

因此過段時間這兒應該會有兩個糖分子

但是因爲你只用了三個、四個或者五個分子

也有可能最後的結果不是這樣的

但是如果你使用了大量的糖分子 並且它們都相當小

兩邊平均分布的可能性就相當相當大了 不管怎樣

這樣一個過程總是

分子從高濃度的容器

向低濃度的容器運動

這就是擴散

這樣我們也學會了一些

能表達擴散的詞

剛開始 這兒有著更高的濃度

即左邊有著更高的濃度

這是相對的 它比這邊的濃度更高

這邊的濃度相對比較低

它們有相應的專業名詞

這邊高濃度的溶液稱爲高滲溶液

我用黃色字體寫下來

高滲 顧名思義就是裏面包含很多物質

而這邊低濃度的稱爲低滲溶液

你可能聽你的親戚說過

如果他們沒有吃飽 他們會說自己血糖過低

這意味著他們感覺頭昏眼花

因爲他們的血液中沒有足夠的糖分

他們感覺自己快要暈過去 因此他們想飽餐一頓

如果你剛剛吃過一塊糖 也許你會血糖過高

或許血糖成分只是高一點

了解這些很好 但是我們還是談論高滲

高滲--你擁有很大量的溶質 濃度很高

還有低滲 就是溶質不多

因此你的濃度很低 這些是很好的專業名詞

因此 概括來說

擴散指（在沒有障礙物的情況下）

溶質從高濃度或高滲溶液

當然 這是在允許的情況下

向低濃度亦即低滲溶液流動

現在 我們來做一個有趣的實驗

我們已經討論了擴散

到現在爲止我們討論的都是關於溶質的擴散

但是 絕大部分情況下 不一定總是這樣

一般情況下

溶質總是數量少的那部分

而溶劑總是數量多的那部分

最常見的溶劑是水

但不一定就得是水 它也可以是某種酒精

也可以是水銀 甚至也可以是一堆分子

但在大部分生物或化學係統中

水是典型的溶劑

它是其它物質被溶解的地方

那麽 如果我們有一個通道

通道的大小不能使溶質通過

但是卻可以讓水分子自由通過 又會發生什麽呢？我們思考一下

爲了思考這個問題

我們來做一些有趣的事情

假設我們有一個容器

實際我並不想畫一個容器

我們只要假設我們有一個擁有水的外界環境

假設這就是外界環境

而你有某種薄膜片

水分子可以自由進出這個膜片 它是半滲透的

這樣說吧 水分子是可以自由穿過膜片的

但是溶質分子卻不能穿過它

假設這裡溶質是糖

在膜片的裏外都有水

這裡是一些小的水分子

這是膜片

當然我只是隨便用了糖 它可以是任何物質

我們也有一些糖分子

這些糖分子稍微有點大

當然也可以大很多

事實上 它們比水分子大多了

我們有很多醣分子 我只畫四個

記得事實上我們有大量的糖分子

我們有更多的水分子

我只是想說明我們有更多的水分子

並且這個薄膜是半滲透的

可滲透意味著它允許物質穿過

半滲透的意思是它並不是完全可滲透的

因此在這裡

我所說的半滲透是指能夠讓水穿過

因此水分子可以穿過 但是糖分子卻不能 因爲糖分子太大了

因此如果我們放大薄膜片

它可能看起來像這樣

我來放大這一塊薄膜

薄膜上的孔就像這樣

水分子也許就像這麽大

因此它們可以穿過這些孔

水分子可以自由穿過這些孔

而糖分子卻有這麽大

因此它們不能穿過這些孔

對於這個孔來說

它們太大了 所以不能自由通過

在這種情況下 你覺得會發生什麽呢？

首先 我們接下來使用專業名詞 記住 糖是溶質

水是溶劑 薄膜是半滲透的

薄膜兩邊的濃度又是怎樣呢？

薄膜裏面是高滲溶液

薄膜外面是低滲溶液

現在 如果這些孔足夠大

這些分子將到處碰撞

水分子隨機的運動 並且各個方向的機率都是一樣的

我馬上會討論這個問題

如果孔足夠大 所有的運動都是等可能的

如果這些孔都足夠地大

這些分子最終會碰撞到這邊

最終 兩邊的濃度將會大致相等

這是傳統的擴散

溶質由高濃度往低濃度運動

但這種情形下 這些糖分子不能穿過這些孔

只有水分子可以來回地穿過 如果這裡沒有這些糖分子

水分子向這個方向運動的機率

和向那個方向運動的機率將是一樣的

但是這裡這些糖分子在右邊

在這裡糖分子是在薄膜的裏面

這是薄膜的裏面部分

由於這些糖分子可能處在入口的位置上

因此水分子處於入口上位置的可能性將很少

因此水分子處於入口上位置的可能性將很少

因此水分子進去的可能性要大於出去的可能性

我想更詳細地解釋

如果這些糖分子不在這裡

顯然 水分子在不同方向上運動的機率將是一樣的

既然現在糖分子在這裡

它們可能在右邊這部分

它們會成爲障礙 我想思考這個問題的最好方法是

認爲它障礙了孔的入口

它們自己不能夠穿過這些孔

也許也不會障礙這些孔的入口

而是以隨機的方向運動

水分子向孔運動是隨機性的

而這裡有大量的水分子

因此它們被障礙穿出孔的可能性更大

但是薄膜外面的水分子

由於沒有什麽障礙它們進去

因此水將往裏面流

因此在這種半透膜情形下

水將向裏面流

水將向裏面流

這很有趣

溶劑從低濃度的地方

向高濃度的地方運動

但是如果你反過來思考

如果你把糖當成溶劑 那麽你可以說

水是從高濃度的地方流向低濃度的

我不想讓你感到太困惑

而這就是困惑人們的地方

你們只要思考接下來會發生什麽

不管在怎樣的狀態下

溶液總是傾向於平衡它們的濃度

讓兩邊的濃度盡可能相等

這不是什麽魔法 溶液是不大可能知道這些的

這取決於機率和分子之間相互的碰撞

只是在這種狀態下 水分子更有可能流進容器

因此它會從低濃度的一邊

因此它會從低濃度的一邊

流向擁有糖分子的高濃度的那邊

並且如果這個薄膜是可以伸展的

更多的水將持跟蹤電流進來並且薄膜會伸展變大

我不想詳細地討論這個問題

但是這裡水作爲溶劑

水作爲溶劑通過半透膜擴散

被稱爲滲透

你可能聽說過通過滲透學習的方法

如果你把一本書放在你的頭旁邊

也許它會滲透進你的大腦 這是同樣的道理

這就是這個單詞的來源

水通過薄膜滲透

試圖讓兩邊的溶液濃度相等

因此 如果說這邊是高濃度

這邊是低濃度 在沒有薄膜的情況下

這些大分子可以出去

但是因爲這兒有個半透膜 因此它們不能出去

因此係統依靠機率- 沒有任何魔法

更多的水將進去來平衡兩邊的濃度

如果這兒也有一些糖分子

沒有這邊的濃度高 如果所有的分子都隨機地運動

你將會到達這樣一個點上

這邊的濃度

和右邊的濃度將大致相等

因爲右邊將會充滿水

也有可能體積變得更大

然後 水分子向右運動的機率

將和水分子向左運動的機率相同

這樣又達到了一種平衡狀態

我想解釋得更詳細一些 擴散意味著任何粒子

都會從濃度高的地方

向濃度低的地方分散

滲透是水的擴散

通常你所談論的關於水的擴散

經常處於半透膜的情形下

這種情形下溶質不能穿過半透膜

希望講的東西對大家有用 並且不會令你們太困惑