วิทยาศาสตร์น่ารู้ เรื่อง การแพร่ของสาร (Diffusion)
การแพร่ของสาร (Diffusion) คือการเคลื่อนที่ของโมเลกุลหรือการกระจายตัวของอนุภาคภายในสสาร จากบริเวณที่มีความเข้มข้นสูงไปยังบริเวณที่มีความเข้มข้นต่ำ โดยอาศัยพลังงานจลน์ (Kinetic Energy) ของโมเลกุลหรือไอออนของสาร ให้เกิดการกระจายตัวอย่างสม่ำเสมอ เพื่อสร้างสมดุลให้ทั้งสองบริเวณมีความเข้มข้นของสารเท่ากันหรือที่เรียกว่า “สมดุลของการแพร่” (Diffusion Equilibrium) โดยการแพร่นั้นเกิดขึ้นได้ในทุกสถานะของสสาร ทั้งของแข็ง ของเหลว และก๊าซ
ในชีวิตประจำวันของเรามีตัวอย่างของกระบวน การแพร่ของสาร เกิดขึ้นมากมาย เช่น การเติมน้ำตาลลงในกาแฟ การแพร่กระจายของกลิ่นน้ำหอม การฉีดพ่นยากันยุง การแช่อิ่มผลไม้ หรือแม้แต่การจุดธูปบูชาพระ เป็นต้น
ประเภทของการแพร่
1. การแพร่ธรรมดา (Simple Diffusion) คือการเคลื่อนที่ของสาร โดยไม่อาศัยตัวพาหรือตัวช่วยขนส่ง (Carrier) ใดๆ เช่น การแพร่ของผงด่างทับทิมในน้ำ จนทำให้น้ำมีสีม่วงแดงทั่วทั้งภาชนะ การได้กลิ่นผงแป้ง หรือการได้กลิ่นน้ำหอม เป็นต้น
2.การแพร่โดยอาศัยตัวพา (Facilitated Diffusion) ซึ่งเกิดขึ้นเฉพาะในเซลล์ของสิ่งมีชีวิตเท่านั้น คือการเคลื่อนที่ของสารบางชนิดที่ไม่สามารถแพร่ผ่านเยื่อหุ้มเซลล์ได้โดยตรง จึงต้องอาศัยโปรตีนตัวพา (Protein Carrier) ที่ฝังอยู่บริเวณเยื่อหุ้มเซลล์ทำหน้าที่รับส่งโมเลกุลของสารเข้า-ออก โดยมีทิศทางการเคลื่อนที่จากบริเวณที่มีความเข้มข้นสูงไปยังบริเวณที่มีความเข้มข้นต่ำ เช่น การลำเลียงสารที่เซลล์ตับและเซลล์บุผิวลำไส้เล็ก หรือการเคลื่อนที่ของน้ำตาลกลูโคสเข้าสู่เซลล์กล้ามเนื้อ เป็นต้น
ปัจจัยที่มีผลต่อการแพร่
- สถานะของสาร: สารที่มีสถานะเป็นก๊าซจะมีอนุภาคเป็นอิสระมากกว่า ส่งผลให้เกิดการแพร่ได้รวดเร็วยิ่งกว่าสารในสถานะของเหลวและของแข็ง
- สถานะของตัวกลาง: ตัวกลางที่มีความหนืดสูงหรือมีอนุภาคอื่นเจือปน มักทำให้กระบวนการแพร่เกิดขึ้นได้ช้า ดังนั้น ตัวกลางที่มีสถานะเป็นก๊าซจึงมักมีแรงต้านทานต่ำที่สุด ส่งผลให้มีอัตราการแพร่สูงสุด
- ขนาดอนุภาค: สารที่มีขนาดของอนุภาคเล็กมักเคลื่อนที่ได้ดี ส่งผลให้อัตราการแพร่เกิดขึ้นได้ง่ายและรวดเร็ว
- อุณหภูมิ: ในบริเวณที่มีอุณหภูมิสูง อนุภาคของสารสามารถเคลื่อนที่ได้รวดเร็วขึ้น จากการได้รับพลังงานจลน์ที่สูงขึ้น
- ความดัน: ความดันสูงส่งผลให้สารมีอัตราการแพร่เพิ่มสูงขึ้น
- ความเข้มข้นของสาร: บริเวณที่มีความเข้มข้นของสารแตกต่างกันมาก การแพร่มักจะเกิดขึ้นได้ดี
- ความสามารถในการละลายของสาร: สารที่สามารถละลายได้ดีจะส่งผลให้กระบวนการแพร่เกิดขึ้นได้รวดเร็วยิ่งขึ้น
การแพร่ของสารผ่านเยื่อเลือกผ่านภายในเซลล์ของสิ่งมีชีวิต
- ไดแอลิซิส (Dialysis) คือการแพร่ของตัวละลาย (Solute) ผ่านเยื่อเลือกผ่าน (Semipermeable Membrane) หรือเยื่อกั้นบางๆ เช่น เยื่อหุ้มเซลล์ จากบริเวณที่มีความเข้มข้นของสารสูงไปยังบริเวณที่มีความเข้มข้นของสารต่ำ
- ออสโมซิส (Osmosis) คือการเคลื่อนที่ของตัวทำละลาย (Solvent) หรือน้ำผ่านเยื่อเลือกผ่านที่มีคุณสมบัติในการยอมให้สารบางชนิดผ่านได้เท่านั้น กระบวนการออสโมซิสจะมีทิศทางการเคลื่อนที่จากบริเวณที่สารละลายมีความเข้มข้นต่ำไปยังบริเวณที่สารละลายมีความเข้มข้นสูง โดยมีแรงดันที่เกิดจากกระบวนการดังกล่าวเรียกว่า “ความดันออสโมซิส” (Osmotic Pressure) ซึ่งขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของสารละลาย หากสารละลายมีความเข้มข้นสูง จะส่งผลให้เกิดความดันออสโมซิสที่สูงขึ้นตามไปด้วย ขณะที่ภายในเซลล์จะเกิด “ความดันเต่ง” (Turgor Pressure) ขึ้นจากการเคลื่อนที่หรือการออสโมซิสเข้ามาของน้ำ ซึ่งเมื่อความดันเต่งถึงจุดสูงสุด กระบวนการออสโมซิสจะถูกหยุดยั้งลง เนื่องจากเซลล์ไม่สามารถรับสสารหรือน้ำเข้ามาเพิ่มได้อีกแล้ว กระบวนการออสโมซิสที่สามารถพบเห็นได้ในชีวิตประจำวัน เช่น การแช่ผักในน้ำ และการดูดน้ำเข้าสู่รากพืช เป็นต้น
ปัจจัยที่เกี่ยวข้องกับกระบวนการออสโมซิส
- ความเข้มข้นของสาร: เมื่อความเข้มข้นของสารแตกต่างกันมาก กระบวนการออสโมซิสจะเกิดขึ้นได้ดี
- อุณหภูมิ: เมื่อบริเวณดังกล่าวมีอุณหภูมิสูง กระบวนการออสโมซิสจะเกิดขึ้นได้ดี
- ขนาดของอนุภาค: อนุภาคที่มีขนาดเล็กส่งผลให้เกิดกระบวนการออสโมซิสได้ดี
- สมบัติของเยื่อกั้น: คุณสมบัติในการยอมให้สารเคลื่อนที่ผ่านของเนื้อเยื่อภายในเซลล์
ประเภทของสารละลายจำแนกตามความดันออสโมซิส
สารละลายที่มีความเข้มข้นต่างกันส่งผลต่อเซลล์แตกต่างกันออกไป ดังนั้น สารละลายที่อยู่นอกเซลล์สามารถจำแนกออกเป็น 3 ประเภท ตามการเปลี่ยนแปลงของขนาดเซลล์ เมื่ออยู่ภายในสารละลายนั้นๆ
- สารละลายไฮโพทอนิก (Hypotonic Solution) คือสภาพของสารละลายภายนอกเซลล์ ซึ่งมีความเข้มข้นต่ำกว่าสารละลายภายในเซลล์ ทำให้น้ำที่อยู่ภายนอกเซลล์เกิดการเคลื่อนที่หรือออสโมซิสเข้ามาภายในเซลล์ ส่งผลให้เซลล์เต่งและแตกได้ โดยปรากฏการณ์นี้มีชื่อเรียกว่า “พลาสมอพไทซิส” (Plasmoptysis)
- สารละลายไฮเพอร์ทอนิก (Hypertonic Solution) คือสภาพของสารละลายภายนอกเซลล์ ซึ่งมีความเข้มข้นสูงกว่าสารละลายภายในเซลล์ ทำให้น้ำภายในเซลล์เกิดการเคลื่อนที่หรือออสโมซิสออกจากเซลล์ ส่งผลให้เซลล์มีขนาดเล็กลงหรือมีสภาพเหี่ยวลง โดยปรากฏการณ์นี้มีชื่อเรียกว่า “พลาสโมไลซิส” (Plasmolysis)
- สารละลายไอโซทอนิก (Isotonic Solution) คือสภาพของสารละลายภายนอกเซลล์ ซึ่งมีความเข้มข้นเท่ากับสารละลายภายในเซลล์ ทำให้การออสโมซิสของน้ำระหว่างภายในกับภายนอกเซลล์ไม่เกิดความแตกต่าง ส่งผลให้รูปร่างของเซลล์ไม่เกิดการเปลี่ยนแปลงใดๆ
สืบค้นและเรียบเรียง
คัดคณัฐ ชื่นวงศ์อรุณ
อ้างอิง
สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี (สสวท.) – https://www.scimath.org/lesson-biology/item/6976-membrane-transport
สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี (สสวท.) – https://www.scimath.org/lesson-biology/item/7450-2017-08-11-07-37-33
ศูนย์เทคโนโลยีอิเล็กทรอนิกส์และคอมพิวเตอร์แห่งชาติ – https://www.nectec.or.th/schoolnet/library/create-web/10000/science/10000-8154.html
BBC – https://www.bbc.co.uk/bitesize/topics/z9r4jxs/articles/znqbcj6
เรื่องอื่นๆ ที่น่าสนใจ: ความเป็นกรดและเบสของสารละลาย
