Химически потенциал на водата, воден потенциал, компоненти на водния потенциал на клетката
Воден потенциал. Както вече беше отбелязано, разтворимите вещества в известен смисъл намаляват активността на водните молекули в клетката. В резултат на това кинетичната енергия на водните молекули във вакуолата е по-ниска, отколкото в чистата вода отвън, по-специално в свободното пространство.
Нарича се енергийното ниво на молекулите на дадено вещество, което се характеризира със скоростта на тяхната дифузия химичен потенциал.
Химически потенциал на водата (mw) изразява максималното количество вътрешна енергия на водните молекули, което може да се преобразува в работа, тоест означава количеството свободна енергия (размер cal/mol или J/mol):
- химичен потенциал на чистата вода (взета равна на нула); аw - активност на водните молекули; множител RT е необходим за преобразуване на дейността в енергийни единици.
Активността на чистата вода е равна на единица, а вътре в клетката в разтвори aw е по-малка от единица, следователно стойността на ln aw е отрицателна. По този начин химичният потенциал на водата в разтвори и в клетката е по-нисък, отколкото в чиста вода.
- частичен моларен обем вода, т.е. обемът от 1 мол вода (18,0 cm 3/mol).
Водният потенциал характеризира способността на водата да се дифузира, изпарява или абсорбира. Той има измерения размер на енергията, разделен на обем (който съвпада с размера на налягането), а стойността му се изразява в атмосфери или барове (1 атм = 1,013 бара = 10 5 Ра). В действителност не можем да измерим енергията на водните молекули, например в чаша, така че водният потенциал на чистата вода се приема за нула при стандартни стойности на температурата и налягането. Можете да измерите разликата в енергиите на водните молекули само при различни условия. Колкото по-ниска е енергията на водните молекули, толкова по-нисък е водният потенциал. Можем да напишем Ψw = т - R = -С.
Тъй като водният потенциал на чистата вода се приема за равен на нула, то с увеличаване на концентрацията на разтворените вещества той става по-отрицателен. Водният потенциал на разтвора е по-малък от този на чистата вода, така че водните молекули във вакуолата имат по-малко свободна енергия, по-малък потенциал от тези извън клетката. В съответствие с втория закон на термодинамиката, процесите на пренос на вещества и енергия се появяват спонтанно от по-високо ниво на химичен потенциал към по-ниско, т.е. по протежение на потенциалния градиент. По този начин водата се движи в съответствие с втория закон на термодинамиката от областта с висок потенциал към областта с нисък потенциал, т.е.посоката на водния поток се определя от спада на енергийния градиент. Следователно е по-правилно да се каже, че водата не се абсорбира от клетката, а навлиза в клетката поради разликата във водните потенциали.
Потенциал на матрицата. За някои цели във физиологията на растенията матричният потенциал често се включва в израза за химичния потенциал на водата. Потенциалът на матрицата се характеризира с намаляване на водната активност поради хидратация на колоидни вещества и адсорбция на границата.
Когато молекулите на водата са свързани с интерфейси, които се образуват, например чрез суспендиране на колоидни частици във воден разтвор, те са склонни да реагират по-малко химически в по-голямата част от разтвора и да се изпарят в околната газова фаза. Това е така, защото водата има крайна константа на свързване на границата течност-твърдо вещество, в резултат на което водните молекули постоянно влизат и излизат от такива повърхности. Това води до свързване на някои от водните молекули и следователно намалява термодинамичната активност на водата - aw, особено в близост до колоиди. Наличието на разтворени вещества също намалява активността на водата.