Ozmózis jelenségének mi a magyarázata?

A molekuláknak önmagában nem "jó" az, ha mindenhol egyenlően vannak. A molekulák vak, süket, tudat nélküli kis bigyók, amik emiatt nem döntenek arról, hogy merrefelé akarnak menni.

Úgyhogy midnenfelé mennek, mégpedig véletlenszerűen. Ez a mindenfelé való véletlenszerű mozgás a Brown-mozgás.

Namost ahogy így mennek mindenfelé, létrejön egy érdekes jelenség, mégpedig az, hogy egyenletesen és szabályosan beterítik a rendelkezésre álló teret. Ennek az az oka, hogy ha a tér egyik részén nincs az adott anyagból, a másikon meg van, akkor a véletlenszrű mozgásból néha az anyag irányából az anyagtalan irányba el tud indulni pár molekula, viszont az anyagtalan irányból nem tud elindulni semmi, mert nincs ott semmi. Ezt pont úgy képzeld el, mint hogy az üres buszra csak felszállni lehet, nyilván nulla utasból nem lesz 10 leszálló.

Amikor persze már mindkét oldalon van valamennyi anyag, akkor ugyanúgy elindul onnan is a másik irányba. Csakhogy mivel a valószínűségek véletlenszerűen alakulnak, így ahol kevesebb az anyag, ott időegység alatt kevesebb is jön vissza, tehát amíg a két oldal ki nem egyenlítődik, addig a több felől simán a véletlen miatt időegység alatt több megy át a másik oldalra, mint vissza. Amikor kiegyenlítődött, akkor is na vándorlás mindkét irányba, csak pont annyi megy innen oda, mint onnan ide.

No, korán küldtem el, itt a válasz másik fele.

Szóval ettől függetlenül még ki lehet fejezni azt, hogy miért is "jó" a rendszernek az, ha kiegyenlítődnek. Ugyanis egy olyan térrészben, ahol nincsenek sokan, nem fognak lépten-nyomon egymásba ütközni, és emiatt sokkal szabadabban mozognak. Ezt a fajta szabadságot entrópiának nevezzük, ami a hőmérséklet függvényében energiává konvertálható. Ez az entrópikus energia az, ami végülis hajtja az egészet. De ezt ugye nem molekulák tárolják, hanem a rendszer egésze. Valójában egy "fordított" energia, azaz az az energia, ami ahhoz kéne, hogy az egyenletes eloszlású rendszerből midnen molekulát átparancsoljunk a tér egyik felébe.

Oké, értem.

Talán a legszemléletesebb megközelítés az, hogy ugye minél több az oldott anyag a vízben, annál kevesebb a szabad víz. Az oldott anyag azért oldott, mert hidrátburok veszi körül. Viszont a hidrátburok nem mozog szabadon, az azt képező vízmolekulák ebből a szempontból nem játszanak, mert az oldott anyag "kapcsolt részei". Tehát a víz (a "szabad" víz) maga lesz az az anyag, ami a fent leírt kiegyenlítetlen módon jár-kel a két oldal között.

Csakhogy amikor egy többlet víz átmegy az oldatos oldalra, akkor a hártya elkezd kifeszülni, és ezzel nyomást hoz létre, ami viszont ugyanúgy megpróbálja visszapréselni a vizet a túloldalra, mint egy fecskendő.

Mivel az oldatos oldalon mindig több az ion, ezért mindig arrafelé menne a víz, az átáramlás addig tart, amíg a hártya extra nyomása ("visszapréselés") egyensúlyba nem hozza. Emiatt beszélünk ozmotikus nyomsáról, tehát arról az értékről, amilyen valódi ("hártya") nyomás kell az egyensúlyban tartáshoz.

"Az entrópia növekedése igazából miért kedvez a rendszernek?"

Na ez a millió dolláros kérdés.

Szerintem ne menjünk bele túl mélyen abba hogy mi is az entrópia, egyelőre elég csak elfogadni, hogy az ha egy rendszer rendezett lesz (azaz elveszti az entrópiáját), az úgyanúgy egy energia féleség*, mint a helyzeti energia. Ha felemelsz valamit, akkor azt mondjuk rá, hogy megnőtt a helyzeti energiája, ha meg leesik, akkor elveszti a helyzeti energiáját. Ha jobban belegondolsz, maguk az atomok nem változnak attól, hogy megemelsz egy tárgyat, de akkor mégis hol "tárolja" a helyzeti energiát?

Szóval az entrópia is kicsit ilyen dolog. Most érjük be annyival, hogy a rendszerek "szeretnek" minél rendezetlenebbek lenni, vagyis nem szeretnek rendezettek lenni. Tehát a rendrakáshoz energia kell, és az az energia amit a rendrakáshoz felhasználsz, visszafelé (rendetlenné váláskor) ugyanúgy felszabadul, mint a helyzeti energia is felszabadul a tárgy leesésekor.

Ahogy a tárgyak beavatkozás nélkül csakis lefelé esnek (felfelé menéshez energiát kell befektetni), úgy a rendszerek, ha nem csinálunk velük semmit, csakis a rendetlenség, azaz az entrópia felé mennek. Mivel a rendezettséghez energia kell, értelemszerűen az energiaminimumra törekvés elve érvényesül akkor is, ha a dolgok rendezetlenné (azaz kisebb energiájúvá de egyben nagyobb entrópiájúvá) válnak, mint ahogy energiaminimumra törekvés érvényesül akkor is, amikor egy tárgy szabadon engedve megszabadul a helyzeti energiájától, és leesik.

Az entrópia az "fordított" (vagyis negatív) energia, azaz minél nagyobb az entrópia, annál jobb a rendszernek. De egyébként nyugodtan tekinthetsz rá úgy, mint egyfajta "szabadesésre", aminek sosincs vége (nincs maximális entrópia, ellentétben a leeső tárggyal, amit előbb-utóbb megfog a talaj). Tehát az entrópia növekedése egy örökké tartó "molekuláris szabadesés", ezt el kell fogadni, vagy ha tényleg nagyon érteni akarod, akkor bele kell menni az elméleti fizika alapjaiba sokkal jobban, mint amennyire most érted.

(* Egy kis elhanyagolást tettem a megértés kedvéért. Maga az entrópia nem energia-ekvivalens, hanem a hőmérséklettel való szorzata az. Tehát amikor entrópiát modnok, akkor azt úgy értem, hogy entrópia szorozva a hőmérséklettel. Ennek annyi a jelentősége, hogy valójában ha nagyon hideg van, akkor a rendszer annyira nem is akar rendezetlen lenni, tehát nagyon-nagyon hideg körülmények között alig-alig hajtja a rendszert az entrópiára törekvés.)

Amiről eddig írtak, az az ozmózis makroszkópikus termodinamikai magyarázata az entrópia változás alapján. Ami nyilván igaz, viszont ha jól értem, téged a molekuláris szintű magyarázat érdekel (ami nem következik automatikusan az entrópiaváltozásból.) Míg a diffúzió esetében a molekuláris magyarázat elég egyszerű (és feltételezem a kérdésed alapján, ezt ismered), az omzózis esetében nem ez a helyzet.

Például nagyon gyakran előkerül a 4. válaszoló által írt magyarázat (ami a szabad víz koncentráció különbséggel magyarázza az ozmózist, és lényegében víz diffúzióként tekint rá). Ez többé-kevésbé jól magyarázza meg az ozmózist, de azért nem mindig alkalmazható jó. Pléldául nem is feltétlenül igaz, illetve nem magyarázza, hogy az ozmózisnyomás miért az oldott anyag koncentrációjával egyenesen arányos.

A (tudomásom szerint) helyes modell szerint abból következik az ozmózis, hogy a szemipermeábilis membrán nem engedi át az oldodd anyag részecskéit. Míg a vízmolekulák át tudnak jutni rajta, az oldott anyag részecskék visszapattannak róla. Viszont ha visszapattannak, nekiütköznek a mögöttük levő részecskéknek, így azokra erőt fejtenek ki, visszább lökik őket. Márpedig ezek között a részecskék között lesznek bőven vízmolekulák is. Az logikusan belátható, hogy minél nagyobb az oldott anyag koncentráció, annál gyakoribb lesz az ilyen visszapattanás, és így annál jelentősebb "visszatartó" hatás érvényesül a vízmolekulákra is. (Több visszapattanó oldott anyag részecske több vízmolekulát lök vissza.) Azaz a vízmolekulák könnyebben jutnak el a membránhoz, és aztán át rajta, ha a kisebb koncentrációjú oldalról jönnek, mintha a nagyobb koncentrációjúról. Ami maga az omzózis.

[link]

[link]