Vandpotentiale

Mange forskellige faktorer kan påvirke det samlede vandpotentiale, og summen af disse potentialer bestemmer det samlede vandpotentiale og retningen af vandgennemstrømning:

Ψ = Ψ 0 + Ψ π + Ψ p + Ψ s + Ψ v + Ψ m {\ displaystyle \ Psi = \ Psi _ {0} + \ Psi _ {\ pi} + \ Psi _ {p} + \ Psi _ {s} + \ Psi _ {v} + \ Psi _ {m}}

hvor:

Alle disse faktorer kvantificeres som potentielle energier pr. volumenhed, og forskellige undergrupper af disse udtryk kan bruges til bestemte applikationer ( f.eks. planter eller jord). Forskellige betingelser defineres også som reference afhængigt af anvendelsen: for eksempel i jord defineres referencetilstanden typisk som rent vand ved jordoverfladen.

TrykpotentialeRediger

Trykpotentiale er baseret på mekanisk tryk og er en vigtig komponent i det samlede vandpotentiale i planteceller. Trykpotentialet stiger, når vand kommer ind i en celle. Når vand passerer gennem cellevæggen og cellemembranen, øger det den samlede mængde vand, der er til stede inde i cellen, hvilket udøver et udadgående tryk, som modsættes af den strukturelle stivhed af cellevæggen. Ved at skabe dette tryk kan planten opretholde turgor, hvilket gør det muligt for planten at holde sin stivhed. Uden turgor mister planter struktur og visner.

Trykpotentialet i en plantecelle er normalt positivt. I plasmolyserede celler er trykpotentialet næsten nul. Negative trykpotentialer opstår, når vand trækkes gennem et åbent system, såsom en plante-xylembeholder. At modstå potentialer for undertryk (ofte kaldet spænding) er en vigtig tilpasning af xylem. Denne spænding kan måles empirisk ved hjælp af trykbomben.

Osmotisk potentiale (opløst potentiale) Rediger

Rent vand defineres normalt som havende et osmotisk potentiale (Ψ π {\ displaystyle \ Psi _ {\ pi}}) på nul, og i dette tilfælde kan opløst potentiale aldrig være positivt. Forholdet mellem koncentration af opløst stof (i molaritet) og opløst potentiale er givet ved van-t Hoff-ligningen:

Ψ π = – M i RT {\ displaystyle \ Psi _ {\ pi} = – MiRT}

hvor M {\ displaystyle M} er koncentrationen i molaritet af det opløste stof, i {\ displaystyle i} er van-t Hoff-faktoren, forholdet mellem mængden af partikler i opløsning og mængden af opløste formlenheder, R {\ displaystyle R } er den ideelle gaskonstant, og T {\ displaystyle T} er den absolutte temperatur.

For eksempel, når et opløst stof opløses i vand, er vandmolekyler mindre tilbøjelige til at diffundere væk via osmose end når der er er ingen opløsningsmiddel. En opløsning vil have et lavere og dermed mere negativt vandpotentiale end rent vand. Desuden er de mere opløste molekyler til stede, jo mere negative er det opløste potentiale.

Osmotisk potentiale har vigtige implikationer for mange levende organismer. Hvis en levende celle er omgivet af en mere koncentreret opløsning, vil cellen have tendens til at miste vand til det mere negative vandpotentiale (Ψ w {\ displaystyle \ Psi _ {w}}) i det omgivende miljø. Dette kan være tilfældet for marine organismer, der lever i havvand og halofytiske planter, der vokser i saltvand. I tilfælde af en plantecelle kan strømmen af vand ud af cellen i sidste ende få plasmamembranen til at trække sig væk fra cellevæggen, hvilket fører til plasmolyse. De fleste planter har dog evnen til at øge opløst stof inde i cellen for at drive strømmen af vand ind i cellen og opretholde turgor.

Denne effekt kan bruges til at drive et osmotisk kraftværk.

En jordopløsning oplever også et osmotisk potentiale. Det osmotiske potentiale muliggøres på grund af tilstedeværelsen af både uorganiske og organiske opløste stoffer i jordopløsningen. Når vandmolekyler i stigende grad klumper sig sammen med opløste ioner eller molekyler, sænkes vandets bevægelsesfrihed og dermed den potentielle energi. Efterhånden som koncentrationen af opløste stoffer øges, reduceres jordopløsningens osmotiske potentiale. Da vand har en tendens til at bevæge sig mod lavere energiniveauer, vil vand ønsker at rejse mod zonen med højere koncentrationer af opløste stoffer. Selvom flydende vand kun bevæger sig som reaktion på sådanne forskelle i osmotisk potentiale, hvis der findes en semipermeabel membran mellem zoner med højt og lavt osmotisk potentiale. En semipermeabel membran er nødvendig, fordi den tillader vand gennem membranen og samtidig forhindrer, at opløste stoffer bevæger sig gennem membranen. Hvis der ikke er nogen membran til stede, udligner bevægelsen af det opløste stof snarere end vandet stort set koncentrationerne.

Da regioner i jorden normalt ikke er delt af en semipermeabel membran, har det osmotiske potentiale typisk en ubetydelig indflydelse massens bevægelse af vand i jord. På den anden side har osmotisk potentiale en ekstrem indflydelse på hastigheden af vandoptagelse af planter.Hvis jordbunden er høj i opløselige salte, er det sandsynligt, at det osmotiske potentiale er lavere i jordopløsningen end i plantens rodceller. I sådanne tilfælde ville jordopløsningen i høj grad begrænse planternes vandoptagelseshastighed. I saltjord kan det osmotiske potentiale i jordvand være så lavt, at cellerne i unge kimplanter begynder at kollapse (plasmolyze).

Matrixpotentiale (Matric potentiale) Rediger

Når vand er i kontakt med faste partikler (f.eks. ler- eller sandpartikler i jorden), kan klæbende intermolekylære kræfter mellem vandet og det faste stof være store og vigtige. Kræfterne mellem vandmolekylerne og de faste partikler i kombination med tiltrækning blandt vandmolekyler fremmer overfladespænding og dannelsen af menisker i den faste matrix. Der kræves derefter styrke for at bryde disse menisker. Størrelsen af matrixpotentiale afhænger af afstandene mellem faste partikler – bredden af menisci (også kapillærvirkning og forskellige Pa i enderne af kapillær) – og den kemiske sammensætning af den faste matrix (menisk, makroskopisk bevægelse på grund af ionisk tiltrækning).

I mange tilfælde kan den absolutte værdi af matrixpotentiale være relativt stor sammenlignet med de andre komponenter af vandpotentiale, der er beskrevet ovenfor. Matrixpotentiale reducerer markant energitilstanden for vand nær partikeloverflader. Selvom vandbevægelse på grund af matrixpotentiale kan være langsom, er det stadig ekstremt vigtigt at levere vand til planterødder og i tekniske applikationer. Matrixpotentialet er altid negativt, fordi vandet, der tiltrækkes af jordmatricen, har en energitilstand, der er lavere end ren vand. Matrixpotentiale forekommer kun i umættet jord over vandbordet. Hvis matrixpotentialet nærmer sig en værdi på nul, er næsten alle jordporer fuldstændigt fyldt med vand, dvs. fuldt mættet og med maksimal fastholdelseskapacitet. Matrixpotentialet kan variere betydeligt blandt jordbundene. I tilfælde af at vand dræner ind i mindre fugtige jordzoner med lignende porøsitet, ligger matrixpotentialet generelt i området -10 til -30 kPa.