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为什么化学势梯度被认为比浓度梯度更基本地作为扩散的驱动力?

编辑:网友投稿来源:互联网整理更新时间:2020-09-03 09:09:37

一个很常见的误解是浓度梯度是扩散的基本驱动力。在单相介质中,浓度梯度是扩散的驱动力,而在多相介质中,浓度梯度不是真正的驱动力。在任何介质中,化学势梯度都是基本的驱动力。

我将用一个简单的例子来解释这一点:

当你吃红辣椒时,舌头接触到辣椒素时就会有着火的感觉,辣椒素是红辣椒的活性成分。你如何中和红辣椒的燃烧效应?一个常见的解决方法是喝酒精或富含脂肪的东西(例如全脂牛奶或巧克力)。这是因为辣椒素在酒精和脂肪中高度溶解,而它相对不溶于水(所以喝水对减轻辣味无效)。

现在假设有一个有两半的容器,被一层膜隔开,只允许辣椒素分子扩散。左边是大量的水,右边是少量的奶油(富含脂肪)。水相中最初含有高浓度的辣椒素,而奶油中没有辣椒素。这是一个假想的水箱:

为什么化学势梯度被认为比浓度梯度更基本地作为扩散的驱动力?

很明显,因为辣椒素是脂溶性的,而且相对不溶于水,它会从高浓度的细胞膜流动到低浓度的细胞膜。当这两种物质达到平衡时,辣椒素在奶油中的含量会比在水中多。因为奶油的体积较小,所以辣椒素在奶油中的浓度大于水中的浓度。换句话说,辣椒素沿着浓度梯度上升,从低浓度扩散到高浓度。

如果我们追踪化学势,每一种物质的化学势在平衡时都是一样的。因此,虽然辣椒素扩散了浓度梯度(这似乎违反直觉),但它扩散了化学势梯度,因为它更喜欢富含脂肪的奶油,而不是水。概括地说,化学物质沿其化学势梯度向下扩散,而它们可能沿其浓度梯度向上或向下扩散。因此,化学势梯度作为扩散的驱动力更为基本。这种情况的例外是在单相介质中的扩散,在这种介质中,浓度梯度可以作为化学势梯度的替代。
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