الخاصية الاسموزية ~ دار العلوم

هي عملية يتم فيها انتقال المحلول ذو التركيز الاعلى نحو التركيز الاقل ليصبح متعادل وهي تجربة طبقت على ماء مالح وماء عذب مع وضع غشاء نفوذ في انبوب الاختبار فتمت عملية النفاذية للماء العذب نحو المالح واصبح متعادل لان الاملاح بطبيعتها شرهة للماء.

التعريف العلمي للخاصية الاسموزية:

التناضح أو الخاصية الأسموزية أو الحلول أو التنافذ (باليونانية: ὠσμός «دفع») (بالإنجليزية: Osmosis)، هي صافي حركة انتقال جزيئات الماء عبر غشاء نصف نافذ من منطقة ذات كثافة مائية مرتفعة (تركيز مخفف للذوائب) إلى منطقة ذات كثافة مائية منخفضة (تركيز أعلى للذوائب) دون الحاجة لاستهلاك طاقة. الغشاء النصف نافذ يسمح بنفوذ الماء (المذيب) ولا يسمح بنفوذ الذوائب (solute) مما يؤدي إلى تدرج في الضغط عبر الغشاء.

نأتي بأنبوب زجاجي ذو فرعين على شكل U ونفصل بين فرعيه بوضع غشاء نصف نافذ. ونملأ الفرع اليميني بالماء ونملأ الفرع اليساري بمحلول ماء مذاب فيه ملح، بحيث يكون ارتفاع عامود الماء في الفرع اليميني مساويا لارتفاع المحلول الملحي في الفرع اليساري وننتظر بعضا من الوقت. نشاهد بعد فترة من الزمن أن عمود الماء في الفرع اليميني ينخفض، ويرتفع عامود المحلول في الفرع اليساري. ويظل الماء في فرعه خاليا من الملح، ويبقى الملح محصورا في عموده.

ويظل الماء ينتقل عبر الغشاء من عامود الماء النقي إلى عامود المحلول الملحي حتي يصل إلى نهية عظمي عند ارتفاع ثابت. ويسمى فرق ارتفاع عمودي الماء والمحلول بالضغط الأزموزي أو ضغط التناضح.

أمثلة على عملية التناضح:

عملية التناضح عملية حيوية وموجودة في العديد من العمليات الطبيعية ومنها:
انتقال الماء من وإلى الخلايا الحية مثل خلايا النباتات وخضاب الدم وخلايا بشرية أخرى وغيرها.

يستغل التناضح في التقنية لفصل المواد ، وطبيا في الديال (تنقية دم المريض من البول عند مرضى الكلى المصابين بقصور كبير في عمل الكلى ) .

تفسير أساسي:
في التناضح يمر الماء عبر الغشاء إلى محلول الملح حتى حدوث توازن للضغط على الجهتين.( إلى اليسار : بداية التجربة، إلى اليمين: نهاية التجربة.)

يقع التناضح عند وجود غشاء شبه نافذ. عند إغراق خلية في كأس من الماء جزيئات الماء تمرّ من الوسط المنخفض التركيز (hypotonic) خارج الخلية إلى الوسط مرتفع التركيز (hypertonic) في الخلية عبر الغشاء شبه النافذ لتحقيق حالة توازن للضغط (isotonic) . الغشاء نافذ بطريقة انتقائية فهو يسمح فقط بمرور مواد معينه ويمنع مرور مواد غيرها .

تفسير مرور الماء عبر الغشاء النصف نافذ من الماء إلى محلول ملحي : تتصرف حبيبات الملح الذائبة في الماء كما لو كانت غازا ، ويكون لها ضغط معين يعتمد على تركيز المحلول . هذا الضغط يحاول أن يزيد من حجمه وذلك بالضغط على سطح المحلول في الأنبوب من أسفل إلى أعلى . فيرتفع سطح المحلول ساحبا معه ماء من الناحية الأخرى للغشاء (الغشاء يسمح بمرور جزيئات الماء ولا يسمح بمرور جزيئات الملح) . يرتفع عمود المحلول تحت هذا الضغط الداخلي فيه (ضغط جزيئات الملح) وينخفض عمود الماء في ناحية الماء النقي .

أمثلة من التناضح:

الضغط التناضحي أو الضغط الأزموزي هو السبب الرئيسي لامتصاص النباتات للماء، فماء التربة بصفة عامة يكون ضغطه التناضحي اقل من الضغط الموجود داخل الشعيرات الماصة في الجذور مما يؤدي إلى مرور الماء من التربة إلى الجذور وليس العكس. عندما توضع خلية من نبتة في محلول مرتفع التركيز تبدأ هذه النبتة في الانكماش بسبب خروج الماء منها وانتشاره في المحلول مرتفع التركيز لتكوين حالة توازن للضغط.

يمكن مشاهدة التناضح كذلك عند وضع شرائح البطاطا في محلول من الماء المالح ، فبعد مدة تبدأ هذه الشرائح في فقدان الماء والانكماش. كما نشاهد في مزارع الكريز انفجار ثمرات الكريز عند هطول مطر لمدة طويلة حيث تمتص الثمرة - بما فيها من محلول سكري - ماءا زائدا عن الحد ويتمزق غلافها .

تحلية المياه:

يُستخدم أسلوب اسمه «الضغط الأزموزي العكسي» لتحلية مياه البحر و مياه الآبار واستخراج ماء عذب منها. تلك العملية تتم بطريقة معكوسة لظاهرة الضغط الأزموزي المعروفة طبيعيا.
في تلك الطريقة يوضع الماء المالح تحت ضغط عال ، أعلى من الضغط الأزموزي ، فتنتقل جزيئات الماء من الماء المالح إلى الماء العذب عبر الغشاء ، ونحصل على ماء عذب. تعتمد تلك الطريقة على مقدار الضغط المسلط على المحلول وعلى نوع الغشاء . وتوجد أبحاث كثيرة بغرض الوصول إلى التركيبة المثلى للغشاء بالطرق الكيميائية للارتفاع بكفاءة عملية الفصل .

الضغط الأزموزي في الكائنات الحية:

للضغط الأزموزي أهمية كبيرة في تكوين الكائنات الحية وسير العمليات الحيوية فيها . فكل خلية محاطة بغشاء يكون حائلا بالنسبة إلى الانتقال العشوائي للمواد ، إلا الماء الذي هو السائل المذيب فيمكنه الانتقال عبر الغشاء . وحتى الخلية نفسها فيوجد في داخلها جسيمات تغطيها أغشية هي الأخرى تسمح بمرور أونواع الجزيئات . وتوجد النباتات في حالة تبادل مستمر مع الماء ، حيث تمتص و تنقل وتطرد ماءا . وخلايا الحيوانات الفقرية تحيطها سائل الدم و البلازما .

تطبيقات :

قياس التناضح المولي:
يعتبر قياس التناضح المولي Osmolarity بواسطة الطرق الأزموزية من أحد الأعمال الرئيسية في مجال العلوم البيولوجية . ويستخدم في حالة العمل على خلايا حية محلول منظم لتفادي حدوث تفاعلات غير مرغوبة فيها تحت تأثير الإجهاد الأزموزي .

فمثلا عند فصل البروتوبلاست (جبلة مجردة) يمكن أن يتسبب استخدام محلول منظم زائد التركيز في تمزيق . وعند تركيب تلك المحاليل المنظمة في المختبر فيمكن قياس المولية الأزموزية لها ومقارنتها بالقيم المناسبة لها .

في الطب عند العلاج بالقسطرة الوريدية يستخدم محلول ملحي بغرض عدم الاضرار بخلايا الجسم عن طريق الضغط الأزموزي. وهو محلول مكون من الماء و يحتوي على 0,9 % (وزنا ) من ملح الطعام ، وتبلغ المولية الأزموزية لهاذا المحلول 308 mosmol/لتر وهي تعادل تقريبا تلك لبلازما الدم ، وهو يعادل ضغطا أزموزيا قدره 7و0 ميجا باسكال . أما في حالة استخدام ماءا نقيا عند العلاج بالقسطرة الوريدية فقد يؤدي ذلك الفرق في الضغط في انفجار بعض خلايا الدم .

الديال:
تستخدم أغشية في عملية الديال لها خاصية السماح لجزيئات و أيونات يبلغ حجمها أقل من حجم معين ، وفي نفس الوقت تكون مانعة لمرور جزيئات بروتين أو أحماض نوكليين .
بتلك الطريقة يمكن فصل مواد ذات تركيب جزيئي صغير الحجم وعزلها أو خفض كمياتها إلى مستويات مناسبة . يُملأ - بحسب الطريقة المستخدمة - المحلول الديالي في وعاء (خرطوم ديالي ) ويغطس هذا في محلول ديالي ويبقي فيه فترة زمنية . أو يبقي المحلول المراد دياليته ، مثلما في حالة ديال الدم ، معزولا بواسطة غشاء عن محلول التنقية . وتطبق طرق الديال في الطب بغرض تنظيف الدم ، كما تُستغل في الصناعة وفي هندسة العمليات الصناعية (مثل تحضير البيرة الخالية من الكحول ).

تناضح عكسي:

يتم التناضح العكسي أو « الضغط الأزموزي المعكوس » عن طريق رفع الضغط في نظام مكون من ماء ومحلول به مادة ذائبة ويفصلهما غشاء نصف نافذ .
يعمل رفع الضغط فوق ناحية ماء المحلول على زيادة تركيز المحلول ( يعمل رفع الضغط على المحلول على إجبار جزيئات الماء المرور عبر الغشاء في الاتجاه المعاكس ، أي من المحلول إلى الماء العذب) .

وتستخدم تلك الطريقة في فصل الماء العذب عن ماء البحر المالحة . ولكن لا بد من بذل طاقة لتوليد هذا الضغط .
(في عملية استخلاص ماء عذب من ماء البحر يتم عادة عن طريق تبخير مياه البحر وتكثيف البخار . أي يتم هذا عن طريق إمداد ماء البحر الموجود في غلاية بطاقة حرارية من الخارج لإجراء التبخير . ويعطينا الضغط الأزموزي المعكوس طريقة ثانية لاستخلاص ماء عذب من ماء البحر . أي تتفق الطريقتان في كونهما تحتاجان إلى طاقة خارجية لفصل الملح عن الماء ، وهذا ما تقوله قوانين الترموديناميكا .

محطة قوى بالضغط الأزموزي:

بنيت فكرة محطة القوى التي تعمل بالضغط الأزموزي علي استغلال الشغل الناتج من الضغط الأزموزي لإنتاج الطاقة . وتستغل محظة القوى الفرق في الكمون الكيميائي بين ماء البحر المحتوي عل الملح والكمون الكيميائي للماء العذب ، وتشغيل توربين يحرك مولد كهربائي لإنتاج التيار الكهربائي.

يمر ماء عذب في أنبوب عبارة عن غشاء نصف نافذ خلال ماء البحر فيرتفع الضغط في الماء المالح .
ويوجه جزء من الماء ذو الضغط العالي ( وهو ماء نصف مالح حيث اكتسب جزءا من الماء العذب) ، يوجه إلى توربين لإدارته ، بينما الجزء الأكبر من هذا الماء (2/3 الكمية) إلى مبادل للضغط يعمل على رفع ضغط ماء البحر المسحوب .

وقد أنشئت محطات قوى تجريبية للعمل بهذه الطريقة بغرض دراستها وتحسينها ، ولكن لم تدخل حيز التطبيق الصناعي لإنتاج الطاقة . تصل قدرة المحطات التجريبية إلى نحو 3 ميجاوات وتعمل منذ عدة سنوات ويجرى تطويرها وتحسينها .

وقد شيدت أول محطة طاقة صغيرة في النرويج في خليج أوسلو في نوفمبر 2009 وتسمى محطة توليد الطاقة بـ«ستاتكرافت» (بالنرويجية: Statkraft Hurum saltkraftverk‏) وهي حاليًا أكبر محطة تستغل ضغط التناضح لإنتاج الكهرباء.