Thế nước là gì? Công thức Ψw = Ψp + Ψs, ví dụ lớp 11

Sáng nay, bạn tưới đẫm nước cho chậu cà chua, vậy mà đến trưa lá vẫn rũ xuống như vừa bị phơi nắng cả tuần. Bạn tưới thêm một ca nữa, lá vẫn không tươi lên. Chiều về, bạn thử tưới nước muối loãng pha cho "cây cứng cáp hơn" theo lời mách trên mạng, sáng hôm sau cây héo nặng hơn. Chuyện gì đang xảy ra? Đất thì ướt, nước thì nhiều, vì sao cây vẫn khát? Câu trả lời nằm ở một con số mà mắt thường không nhìn thấy: thế nước của tế bào. Nước không chảy theo chỗ nào ướt hơn, mà chảy theo chỗ nào có thế nước cao hơn — và chỉ khi bạn đọc được con số đó, bạn mới hiểu vì sao cây héo giữa vũng nước, vì sao rau muống ngâm nước muối lại mềm nhũn, và vì sao rễ cây có thể hút nước ngược lên ngọn cao hàng chục mét.

Trong bài viết này, bạn sẽ học cách tính thế nước như đọc một chiếc la bàn của dòng nước trong cây. Bạn sẽ hiểu thế nước là gì, vì sao nó gồm hai thành phần là thế áp suất và thế chất tan, vì sao thế chất tan lúc nào cũng mang dấu âm, và vì sao chỉ một phép cộng đơn giản lại quyết định được nước đi vào hay đi ra khỏi tế bào. Bạn sẽ tính 4 ví dụ từng bước, từ tế bào có thế áp suất 0,3 MPa và thế chất tan −0,8 MPa đến bài toán tính ngược ra thế chất tan, tránh 5 lỗi sai mà học sinh hay mắc nhất, rồi tự luyện 5 bài tập trắc nghiệm có đáp án giải thích cặn kẽ. Cuối bài là 5 câu hỏi thường gặp, trong đó có câu hỏi nhiều bạn thắc mắc: vì sao nước tinh khiết lại có thế nước bằng 0, và vì sao tế bào trương nước thì thế nước của nó cũng tiến về 0?

Thế nước là gì? Công thức Ψw = Ψp + Ψs

Thế nước, kí hiệu Ψw (đọc là "psi nước"), là đại lượng đo năng lượng tự do của nước trong một hệ so với nước tinh khiết ở cùng nhiệt độ và áp suất. Bạn hãy hình dung thế nước như "độ cao" của nước trên một sườn dốc: nước luôn chảy từ nơi cao xuống nơi thấp, tức là từ nơi có thế nước cao sang nơi có thế nước thấp. Nước tinh khiết ở áp suất khí quyển được chọn làm mốc, có thế nước bằng 0 — đây là giá trị cao nhất mà thế nước có thể đạt được trong điều kiện thường, vì mọi dung dịch đều có thế nước âm. Khi bạn hòa tan muối hay đường vào nước, các phân tử chất tan "giữ" các phân tử nước lại, làm nước bớt tự do hơn, nên thế nước giảm xuống dưới 0. Càng nhiều chất tan, thế nước càng âm sâu. Đó là lí do nước biển, với rất nhiều muối hòa tan, có thế nước rất thấp, và cây trồng trên đất mặn khó hút nước dù đất vẫn ẩm: nước trong đất mặn có thế nước thấp hơn nước trong tế bào rễ, nên nước không chảy vào rễ mà thậm chí còn có xu hướng chảy ngược ra ngoài.

Thế nước của một tế bào thực vật gồm hai thành phần cộng lại, viết thành công thức Ψw = Ψp + Ψs. Bạn hãy nhớ kĩ từng thành phần qua bảng dưới đây, vì mọi bài tập về thế nước đều bắt đầu từ việc xác định đúng hai con số này.

Thế áp suất Ψp xuất hiện nhờ thành tế bào: khi nước đi vào tế bào, tế bào phồng lên và thành tế bào cứng sẽ ép ngược lại, tạo ra một áp suất dương đẩy nước ra. Tế bào càng trương, Ψp càng lớn. Khi tế bào mất nước và xẹp lại, thành tế bào không còn ép nữa nên Ψp về 0 — người ta gọi trạng thái này là tế bào mềm nhũn. Thế chất tan Ψs thì ngược lại: nó luôn âm hoặc bằng 0, vì chất tan chỉ làm giảm thế nước chứ không bao giờ làm tăng. Nước tinh khiết không có chất tan nên Ψs bằng 0; dịch tế bào chứa nhiều đường, muối và các chất hòa tan nên Ψs âm, càng nhiều chất tan thì càng âm sâu. Bạn hãy ghi nhớ câu "áp suất đẩy lên, chất tan kéo xuống": Ψp cộng thêm vào thế nước, Ψs trừ bớt đi, và thế nước cuối cùng là kết quả của hai lực kéo ngược chiều nhau đó. Nếu bạn muốn thấy nước đi vào tế bào rồi được dùng làm gì tiếp theo, hãy xem thêm bài phương trình quang hợp để thấy nước là nguyên liệu đầu vào của quang hợp. Bạn cũng có thể kiểm chứng nhanh mọi phép cộng số âm trong bài này bằng máy tính Casio online trên ClassOn mỗi khi làm bài tập về nhà.

Một trường hợp đặc biệt bạn cần nhớ: khi tế bào trương nước hoàn toàn, thế áp suất tăng lên đúng bằng độ lớn của thế chất tan, hai con số triệt tiêu nhau và thế nước bằng 0. Lúc đó nước ngừng đi vào tế bào, dù xung quanh vẫn còn nước — không phải vì tế bào "no nước" theo nghĩa đầy ắp, mà vì thế nước trong và ngoài tế bào đã bằng nhau. Ngược lại, khi tế bào bị đặt trong dung dịch ưu trương, tức là dung dịch có nồng độ chất tan cao hơn dịch tế bào, nước sẽ chảy ra khỏi tế bào, tế bào co nguyên sinh và Ψp giảm về 0. Bạn hãy để ý: dấu của thế nước không nói lên lượng nước nhiều hay ít, mà nói lên xu hướng di chuyển của nước. Một tế bào có thế nước −0,5 MPa không "ít nước hơn" một tế bào có thế nước −0,2 MPa theo nghĩa đơn giản, mà là nước có xu hướng chảy từ tế bào −0,2 MPa sang tế bào −0,5 MPa. Đây chính là chìa khóa để trả lời mọi câu hỏi "nước chảy theo chiều nào" trong đề thi.

Bốn ví dụ tính thế nước từng bước

Ví dụ 1 (dùng đúng số liệu mẫu): Một tế bào có thế áp suất Ψp = 0,3 MPa và thế chất tan Ψs = −0,8 MPa. Tính thế nước Ψw của tế bào. Nước sẽ chảy theo chiều nào giữa tế bào này và một tế bào khác có Ψw = −0,2 MPa?
Bạn áp dụng công thức: Ψw bằng Ψp cộng Ψs. Bạn thay số: Ψw bằng 0,3 cộng với (−0,8), bằng −0,5 MPa. Bạn kiểm tra lại: 0,3 trừ 0,8 bằng −0,5 — khớp. Bạn xác định chiều chảy của nước: tế bào đang xét có Ψw bằng −0,5 MPa, tế bào còn lại có Ψw bằng −0,2 MPa; vì −0,2 lớn hơn −0,5 nên nước chảy từ tế bào có Ψw bằng −0,2 MPa sang tế bào có Ψw bằng −0,5 MPa. Bạn hãy để ý: đừng để dấu âm đánh lừa — số âm "ít âm hơn" thì lớn hơn, giống như −0,2 cao hơn −0,5 trên trục số. Đây là chỗ nhiều bạn nhầm nhất khi so sánh thế nước.

Ví dụ 2 (so sánh hai tế bào): Tế bào X có Ψp = 0,5 MPa và Ψs = −0,9 MPa. Tế bào Y có Ψw = −0,6 MPa. Tính Ψw của tế bào X và cho biết nước chảy từ tế bào nào sang tế bào nào khi hai tế bào tiếp xúc nhau.
Bạn tính thế nước của tế bào X: Ψw bằng 0,5 cộng với (−0,9), bằng −0,4 MPa. Bạn so sánh: tế bào X có Ψw bằng −0,4 MPa, tế bào Y có Ψw bằng −0,6 MPa; vì −0,4 lớn hơn −0,6 nên nước chảy từ tế bào X sang tế bào Y. Bạn kiểm tra lại bằng cách nghĩ về áp suất: tế bào X trương hơn (Ψp bằng 0,5 MPa) nên nó "đẩy" nước ra mạnh hơn, khớp với kết quả nước chảy từ X sang Y. Bạn hãy để ý: trong ví dụ này, chỉ cần tính Ψw của một tế bào rồi so sánh với Ψw đã cho của tế bào còn lại, không cần tính thêm gì khác.

Ví dụ 3 (tế bào trương nước): Một tế bào có thế chất tan Ψs = −0,6 MPa được đặt vào nước cất. Ban đầu tế bào mềm nhũn với Ψp = 0. Tính Ψw ban đầu của tế bào, cho biết nước có đi vào tế bào không, và tính Ψp khi tế bào trương hoàn toàn.
Bạn tính Ψw ban đầu: Ψw bằng Ψp cộng Ψs, bằng 0 cộng với (−0,6), bằng −0,6 MPa. Bạn xác định chiều chảy: nước cất có Ψw bằng 0, lớn hơn −0,6 MPa của tế bào, nên nước đi vào tế bào. Bạn tính Ψp khi trương hoàn toàn: khi tế bào trương hoàn toàn, nước ngừng đi vào, tức là Ψw của tế bào bằng Ψw của nước cất, bằng 0; bạn suy ra Ψp bằng Ψw trừ Ψs, bằng 0 trừ (−0,6), bằng 0,6 MPa. Bạn kiểm tra lại: 0,6 cộng với (−0,6) bằng 0 — khớp. Bạn hãy để ý: đây là cách tính áp suất trương tối đa của tế bào, và nó cho thấy vì sao tế bào có nhiều chất tan thì trương mạnh hơn: Ψs càng âm sâu thì Ψp khi trương hoàn toàn càng lớn.

Ví dụ 4 (tính ngược ra thế chất tan): Một tế bào có thế nước Ψw = −0,3 MPa và thế áp suất Ψp = 0,4 MPa. Tính thế chất tan Ψs của tế bào và cho biết tế bào này chứa nhiều hay ít chất tan so với tế bào ở ví dụ 1.
Bạn viết công thức: Ψw bằng Ψp cộng Ψs, nên Ψs bằng Ψw trừ Ψp. Bạn thay số: Ψs bằng −0,3 trừ 0,4, bằng −0,7 MPa. Bạn kiểm tra lại: 0,4 cộng với (−0,7) bằng −0,3 — khớp. Bạn so sánh với ví dụ 1: tế bào ở ví dụ 1 có Ψs bằng −0,8 MPa, tế bào này có Ψs bằng −0,7 MPa; vì −0,7 lớn hơn −0,8, tức là ít âm hơn, nên tế bào này chứa ít chất tan hơn tế bào ở ví dụ 1. Bạn hãy để ý: dạng bài tính ngược này chỉ cần biến đổi công thức trước rồi mới thay số; nếu bạn thay số rồi mới biến đổi thì rất dễ nhầm dấu của số âm.

Năm lỗi sai thường gặp — và cách tránh

Lỗi 1: Cho rằng thế chất tan Ψs có thể dương.
Nhiều bạn thấy công thức Ψw = Ψp + Ψs thì nghĩ cả hai thành phần đều có thể dương như nhau. Cách tránh: bạn hãy nhớ chất tan chỉ làm giảm thế nước, nên Ψs luôn âm hoặc bằng 0 (bằng 0 chỉ khi là nước tinh khiết, không có chất tan nào). Nếu bạn tính ra Ψs dương thì chắc chắn đã nhầm dấu ở đâu đó, hãy kiểm tra lại phép trừ khi tính ngược. Bạn hãy ghi nhớ câu "chất tan chỉ kéo xuống, không bao giờ đẩy lên".

Lỗi 2: So sánh sai hai số âm khi xác định chiều chảy của nước.
Nhiều bạn thấy −0,5 và −0,2 thì kết luận −0,5 lớn hơn vì "5 lớn hơn 2". Cách tránh: bạn hãy nhớ trên trục số, −0,2 nằm bên phải −0,5 nên −0,2 lớn hơn −0,5, và nước chảy từ −0,2 sang −0,5. Bạn hãy tập thói quen vẽ trục số ra giấy rồi đánh dấu hai giá trị trước khi kết luận chiều chảy; chỉ mất vài giây mà tránh được lỗi mất điểm oan.

Lỗi 3: Quên mất Ψp bằng 0 khi tế bào mềm nhũn.
Nhiều bạn tính thế nước của tế bào héo mà vẫn cộng thêm một giá trị Ψp nào đó lấy từ đề bài khác. Cách tránh: bạn hãy nhớ Ψp chỉ xuất hiện khi thành tế bào bị ép, tức là khi tế bào trương; tế bào mềm nhũn, tế bào co nguyên sinh hay tế bào đã chết đều có Ψp bằng 0, lúc đó Ψw bằng đúng Ψs. Bạn hãy đọc kĩ đề: nếu đề nói tế bào "mềm", "héo" hay "co nguyên sinh" thì Ψp bằng 0, đừng tìm đâu ra nữa.

Lỗi 4: Nhầm chiều chảy của nước với chiều di chuyển của chất tan.
Nhiều bạn thấy dung dịch ngoài tế bào mặn hơn thì kết luận nước chảy vào tế bào vì "chất tan hút nước". Cách tránh: bạn hãy nhớ nước chảy từ nơi có thế nước cao sang nơi có thế nước thấp, còn chất tan thì khuếch tán từ nơi nồng độ cao sang nơi nồng độ thấp — hai chiều này ngược nhau trong trường hợp tế bào đặt trong dung dịch ưu trương. Dung dịch mặn có thế nước thấp nên nước chảy RA khỏi tế bào, không phải chảy vào. Bạn hãy luôn hỏi "thế nước bên nào cao hơn" thay vì hỏi "bên nào mặn hơn".

Lỗi 5: Tưởng thế nước bằng 0 nghĩa là tế bào không còn nước.
Nhiều bạn thấy Ψw bằng 0 thì nghĩ tế bào đã cạn nước. Cách tránh: bạn hãy nhớ Ψw bằng 0 là giá trị cao nhất của thế nước, bằng thế nước của nước tinh khiết, và tế bào đạt Ψw bằng 0 khi trương hoàn toàn — tức là lúc tế bào đầy nước nhất, chứ không phải cạn nhất. Tế bào càng mất nước thì Ψw càng âm sâu. Bạn hãy ghi nhớ: số 0 ở đây là "đỉnh", không phải "đáy".

Năm bài tập tự luyện

Hãy làm 5 bài tập sau đây rồi đối chiếu với bảng đáp án bên dưới. Nhớ viết rõ Ψp và Ψs ra giấy, cộng đúng dấu, rồi mới so sánh hai số âm để xác định chiều chảy của nước.

Câu 1: Một tế bào có thế áp suất Ψp = 0,3 MPa và thế chất tan Ψs = −0,8 MPa. Thế nước Ψw của tế bào bằng bao nhiêu?
A. −0,5 MPa
B. 1,1 MPa
C. −1,1 MPa
D. 0,5 MPa

Câu 2: Tế bào A có Ψw = −0,2 MPa, tế bào B có Ψw = −0,5 MPa. Nước sẽ chảy theo chiều nào?
A. Từ tế bào B sang tế bào A
B. Từ tế bào A sang tế bào B
C. Nước không chảy vì hai tế bào đã cân bằng
D. Nước chảy đồng thời cả hai chiều với tốc độ bằng nhau

Câu 3: Một tế bào đang trương nước mạnh thì thế áp suất Ψp của nó như thế nào?
A. Âm và có độ lớn bằng thế chất tan
B. Bằng 0 vì thành tế bào không còn ép nữa
C. Dương và lớn, vì thành tế bào đang ép mạnh lên dịch tế bào
D. Không xác định được nếu chưa biết thế nước

Câu 4: Đặt một tế bào thực vật vào dung dịch ưu trương (nồng độ chất tan cao hơn dịch tế bào). Hiện tượng nào sau đây sẽ xảy ra?
A. Tế bào hút nước và trương lên
B. Thế nước của tế bào tăng lên
C. Thế chất tan của tế bào trở thành số dương
D. Tế bào mất nước và xảy ra hiện tượng co nguyên sinh

Câu 5: Thế chất tan Ψs của một dung dịch có đặc điểm nào sau đây?
A. Luôn âm hoặc bằng 0, càng nhiều chất tan thì càng âm sâu
B. Luôn dương và tăng theo nồng độ chất tan
C. Bằng 0 trong mọi dung dịch, chỉ khác nhau ở thế áp suất
D. Âm khi dung dịch loãng, dương khi dung dịch đặc

Giải thích Câu 1 — Đáp án A đúng: Áp dụng Ψw = Ψp + Ψs, bạn tính 0,3 cộng với (−0,8) bằng −0,5 MPa. Đáp án B sai vì 1,1 là kết quả khi cộng 0,3 với 0,8 mà quên dấu âm của Ψs. Đáp án C sai vì −1,1 là kết quả khi cộng −0,3 với −0,8, tức là nhầm dấu của Ψp. Đáp án D sai vì 0,5 là kết quả khi lấy 0,8 trừ 0,3 mà quên dấu âm, không phải thế nước của tế bào.

Giải thích Câu 2 — Đáp án B đúng: Nước chảy từ nơi có thế nước cao sang nơi có thế nước thấp; −0,2 lớn hơn −0,5 nên nước chảy từ tế bào A sang tế bào B. Đáp án A sai vì đó là chiều ngược lại, từ nơi thế nước thấp sang nơi thế nước cao, trái với quy luật. Đáp án C sai vì hai tế bào chỉ cân bằng khi Ψw bằng nhau, ở đây −0,2 khác −0,5 nên nước vẫn chảy. Đáp án D sai vì dòng nước ròng chỉ có một chiều, từ cao xuống thấp; ở mức phân tử thì nước khuếch tán cả hai chiều, nhưng dòng ròng thì không.

Giải thích Câu 3 — Đáp án C đúng: Khi tế bào trương nước, nước đi vào làm tế bào phồng lên, thành tế bào cứng ép ngược lại nên Ψp dương và lớn. Đáp án A sai vì Ψp không bao giờ âm trong tế bào thực vật còn nguyên vẹn; giá trị âm chỉ gặp ở mạch gỗ khi có lực hút. Đáp án B sai vì Ψp bằng 0 chỉ khi tế bào mềm nhũn, ngược với trạng thái trương nước. Đáp án D sai vì chỉ cần biết tế bào đang trương là đủ kết luận Ψp dương và lớn, không cần con số cụ thể.

Giải thích Câu 4 — Đáp án D đúng: Dung dịch ưu trương có thế nước thấp hơn thế nước của tế bào, nên nước chảy ra khỏi tế bào, tế bào mất nước và màng sinh chất co lại, tách khỏi thành tế bào, gọi là co nguyên sinh. Đáp án A sai vì đó là hiện tượng xảy ra trong dung dịch nhược trương, khi nước chảy vào tế bào. Đáp án B sai vì khi mất nước, Ψp giảm về 0 và Ψs càng âm sâu nên Ψw của tế bào giảm xuống, không tăng lên. Đáp án C sai vì Ψs không bao giờ dương, dù dung dịch ngoài có đặc đến đâu.

Giải thích Câu 5 — Đáp án A đúng: Chất tan làm giảm năng lượng tự do của nước nên Ψs luôn âm, bằng 0 chỉ với nước tinh khiết; nồng độ chất tan càng cao thì Ψs càng âm sâu. Đáp án B sai vì Ψs không bao giờ dương. Đáp án C sai vì Ψs của dung dịch có chất tan luôn âm, không phải bằng 0. Đáp án D sai vì Ψs âm ở mọi nồng độ chất tan, chỉ khác nhau về độ lớn.

Câu hỏi thường gặp về thế nước

Hỏi: Vì sao nước tinh khiết lại có thế nước bằng 0?
Đáp: Vì thế nước được định nghĩa so với nước tinh khiết ở áp suất khí quyển, lấy đó làm mốc 0. Nước tinh khiết không có chất tan nên Ψs bằng 0, lại không chịu áp suất nào thêm nên Ψp bằng 0, vậy Ψw bằng 0. Mọi dung dịch đều có thế nước âm vì chất tan làm giảm năng lượng tự do của nước. Bạn hãy nhớ: 0 là giá trị cao nhất, không phải giá trị "không có gì".

Hỏi: Nước chảy từ nơi có thế nước cao sang nơi có thế nước thấp nghĩa là gì?
Đáp: Nghĩa là nước di chuyển từ nơi phân tử nước "tự do" hơn sang nơi phân tử nước bị "giữ" chặt hơn bởi chất tan hoặc áp suất. Bạn hãy hình dung như nước chảy từ đỉnh đồi xuống chân đồi: thế nước càng cao thì nước càng có xu hướng rời đi, thế nước càng thấp thì nước càng có xu hướng đi tới. Khi hai nơi có thế nước bằng nhau, nước ngừng chảy ròng và đạt trạng thái cân bằng.

Hỏi: Vì sao cây trên đất mặn khó hút nước dù đất vẫn ẩm?
Đáp: Vì đất mặn có nồng độ muối cao nên thế nước của đất rất thấp, thấp hơn thế nước trong tế bào rễ. Nước chỉ chảy từ nơi có thế nước cao sang nơi có thế nước thấp, nên thay vì chảy vào rễ, nước có xu hướng chảy từ rễ ra đất. Cây muốn hút được nước thì phải làm cho thế nước trong rễ thấp hơn thế nước của đất, ví dụ bằng cách tích lũy thêm chất tan trong tế bào rễ — nhưng khả năng này có giới hạn, nên cây trồng trên đất quá mặn sẽ héo và chết khát giữa đất ẩm.

Hỏi: Thế nước của tế bào trương hoàn toàn bằng bao nhiêu?
Đáp: Bằng 0. Khi tế bào trương hoàn toàn, thế áp suất Ψp tăng lên đúng bằng độ lớn của thế chất tan, hai thành phần triệt tiêu nhau: Ψw bằng Ψp cộng Ψs bằng 0. Lúc đó nước ngừng đi vào tế bào vì thế nước trong và ngoài đã bằng nhau. Bạn hãy nhớ con số này: tế bào trương hoàn toàn thì Ψw bằng 0, Ψp bằng trừ Ψs, ví dụ Ψs bằng −0,6 MPa thì Ψp bằng 0,6 MPa.

Hỏi: Học thế nước để làm gì trong thực tế?
Đáp: Thế nước giải thích được rất nhiều hiện tượng quanh bạn: vì sao rau héo khi ngâm nước muối, vì sao cây cần tưới nước ngọt chứ không tưới nước mặn, vì sao rễ cây hút được nước từ đất lên ngọn, và vì sao phân bón quá liều lại làm cây cháy lá. Trong nông nghiệp, người ta đo thế nước của đất để biết khi nào cần tưới và tưới bao nhiêu; trong bảo quản rau quả, người ta giữ thế nước của môi trường để rau không bị mất nước và héo. Nắm được thế nước là nắm được "luật giao thông" của nước trong cây.

Kết luận

Thế nước chỉ gói gọn trong một công thức: Ψw = Ψp + Ψs. Bạn hãy nhớ ba điều: thế chất tan luôn âm hoặc bằng 0, thế áp suất dương khi tế bào trương và bằng 0 khi tế bào mềm nhũn, và nước luôn chảy từ nơi có thế nước cao sang nơi có thế nước thấp. Làm xong 5 bài tập ở trên, bạn đã đủ tự tin để tính thế nước của bất kì tế bào nào, xác định chiều chảy của nước, và giải thích được vì sao cây héo giữa đất ẩm hay vì sao rau ngâm nước muối lại mềm nhũn — và cũng hiểu vì sao chỉ một phép cộng với dấu âm đúng chỗ lại quyết định được cả số phận của một cái cây.