物理

混合权

水通过渗透作用穿过膜。这种现象会通过脱水破坏细菌,或者反过来使海水淡化。

伯纳德·卡巴内(Bernard 小屋)和西尔维·赫农(SylvieHénon) 对于科学N°277
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在热带石油勘探的英勇时期,被感染的伤口可以用糖覆盖,以保护它们免受坏疽的侵害,而如今这种疗法仍在医院中用于深层伤口的治疗。糖还可以防止果酱滋生细菌繁殖,而盐则可以保护肉和鱼。盐和糖如何防止细菌生长?通过渗透现象,在生物学和工业机制中很重要。

大多数细菌是单细胞生物。它们充满了离子,氨基酸和蛋白质的水溶液,仅由一层薄薄的脂质和蛋白质组成的膜可以从外面受到保护,这些膜可以透过水。当细菌浸入水性介质中时,水通过膜进入并离开细胞。

让我们将细菌浸入糖中:由于细菌外部的糖分子比内部的分子多,几乎所有的水都通过膜来稀释糖。细菌脱水并死亡。实际上,根据热力学的第二原理,最有利的情况是水分子与所有其他分子(细菌内部的分子和外部糖)均等地混合。

相反,与纯净水接触会对我们的身体细胞造成危险,因为它们含有咸液。它们在我们的体内与同样咸的生理液体接触。如果将纯净水放入其中一种液体中,则会触发水进入细胞的转移。例如,如果为了清洁我们的眼睛或隐形眼镜,我们使用纯净水而不是盐溶液,凭借其“混合权”,水会进入角膜细胞,造成水肿。

渗透平衡

为了防止我们的细胞因不适当的水分转移而膨胀或收缩,细胞内部和外部的水与盐的混合物必须相等。由于细胞的新陈代谢产生水,因此必须进行调节,以使我们的水分含量不会增加:这种调节由肾脏提供。

如果水容易通过细胞膜,则盐和较大分子的通过将受到限制。因此,对于渗透平衡而言,重要的不是内在和外在溶液中都含有相同的化合物,而是水在分子膜两侧的比例相等。例如,必须确保输注过程中所用血清的渗透平衡,以使红细胞不会破裂:我们使用盐溶液或葡萄糖溶液,这些溶液可以滋养身体,同时确保它的水平衡。

远离医学世界,在沙漠中种植西红柿说明了渗透平衡的维持。由于那里的淡水稀少,种植园要用盐水浇水。植物细胞外高浓度的盐可能会导致细胞水流出:为了避免脱水,植物细胞会分泌大量糖或氨基酸,平衡水的浓度至内部和外部细胞。这样在沙漠中种植的西红柿比喂淡水的西红柿甜。

但是,植物细胞不同于细菌或我们自己的细胞,因为它们内部溶解物质的浓度仍然高于外部环境:外部水应进入细胞并使它们膨胀,但是内部压力大于外部压力的电池会阻止它。因此,施加压力反对渗透。

我们可以大规模重现这种现象吗?是的,使用允许水通过的膜,但不允许盐或糖通过。想象一个装满纯净水的容器,用薄膜将其分成两个隔间。让我们往隔间里加糖。然后,水流到仍在“混合权”下方的甜蜜隔间。

甜蜜隔间中的水平上升。在一定高度处,升高的水柱会产生超压,该超压与扩散到甜味室中的水分子流相反。通过对甜味室施加相同的超压,可防止水通过。这种超压测量了平衡水和糖的混合物所必须施加的力:糖溶液的渗透压取决于其浓度。

这种压力的价值是什么?通过向水中添加一小撮糖,我们能否将水柱提升到很高的高度?为了进行估计,有必要测量称为熵的热力学量的变化。熵是对无序的一种度量,系统朝着这种程度发展。最初,它是低的,因为高浓度的糖被限制在一个隔室中:浓度的均衡会增加无序度,从而增加熵。我们计算了所有分子由于混合而获得的熵。

我们发现溶液或两种液体的混合物与气体的公式相同。因此,通过一种理想的气体定律以低浓度表示渗透压。对于气体,如果在25°C下有1摩尔分子在24.5升的容积中,则压力等于一个大气压。对于糖溶液,如果在等于24.5升的水中有1摩尔糖分子(约360克),则渗透压也将是一个大气压。由于溶解物种的分子数很重要,因此只需将半摩尔的盐(约30克)放入24.5升水中即可获得与大气压相同的渗透压,因为盐晶体溶解为两个离子型Na+ 和Cl.

在我们体内,液体的渗透压很高:通过计算所有盐离子,我们得出的渗透压等于七个以上的大气压,这可能会使一列水高到70米!这种巨大的力量使我们能够平衡与内部流体接触的流体的浓度。但是,我们可以在河流或大海中游泳,但随后我们就受到皮肤的保护,皮肤是水过慢地通过而无法损坏细胞的屏障。

反渗透

您可以推动它,而不是让水柱上升。如果施加的压力足够,水将离开混合物,再次通过膜流向未加糖或未加盐的隔室。反对混合权的强制通过的机制是反渗透。为什么不通过按压使海水淡化呢?这是使用的方法之一,但是要施加的压力很高,大约25个大气压,因为海水中所含的离子比生理流体中的离子还要多(滤筒代表海水淡化厂)。维持这种压力以获得大量淡水需要大量能量。另外,膜必须在数十个大气压的压力下抵抗盐的通过,同时允许大量的水通过。今天,我们拥有的有机聚合物膜可以使水流比化学家使用的肠膜大得多。 ixe 世纪。

反渗透是使水脱盐的最有效方法之一:要提供的机械能比蒸发相同量的水所需的热能少十倍。但是,与使用石油的蒸馏相比,反渗透海水淡化的成本仍然很高,在某些海湾国家中这种石油既丰富又便宜。但是技术在不断发展:五年前通过反渗透从海水中生产立方米水需要7千瓦时,而今天只需要3千瓦时。

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