浅析生活中的渗透现象及渗透压这一概念

浅析生活中的渗透现象及渗透压这一概念
摘要：从化学的角度详细解释分析渗透现象，并对大学化学中的“渗透压”的概念进行剖析和讨论，分析已出现的各种“渗透压”定义的不准确性，提出了自己的见解。

关键词：渗透现象；半透膜；渗透压
引言
渗透现象在生活中极为常见。

正如教材中所说，生命的存在与渗透平衡有着极为密切的关系，动植物是由无数细胞组成的，细胞膜均具有奇妙的半透膜功能，是一种很容易透水而几乎不能透过溶解于细胞液中物质的薄膜。

例如，人们在游泳池或河水中游泳时，睁开眼睛很快就会感到涩痛，这是因为眼睛组织的细胞由于渗透而扩张引起的；而在海水中游泳却没有不适之感，这是因为海水的浓度很接近眼睛组织的细胞液浓度。

正是因为海水和淡水的渗透压不同，海水鱼和淡水鱼不能调换生活环境，否则将会引起的肿胀或萎缩使其难以生存。

除此之外，人体组织内的许多膜，如红血球膜、毛细血管壁等也都具有半透膜的性质，因而人体的体液（如血液、细胞液、组织液等）也具有一定的渗透压。

因此对人体静脉输液或注射时，必须使用与人体体液渗透压相同的等渗溶液，这就是临床常用0.9%生理盐水或5%葡萄糖溶液以免由渗透导致的红血球肿胀或萎缩的原因。

同样，渗透压与植物也是息息相关的。

进入糖溶液或盐溶液的花卉，将因渗透压的作用而脱水枯萎，若再将它插入纯水，花卉将因水重返细而恢复原有的鲜艳和美丽。

由此可见，渗透在生物学中具有重要意义，因为有机体的细胞膜大部分都具有半透膜的性质，无疑渗透压便是引起水在生物体中运动的重要推动力。

而通过查阅各种资料，对于渗透压这一概念解释各有不同，下面就从化学的角度分析渗透现象以及渗透压。

正文
渗透现象
当我们用一种仅让溶剂分子通过而不让溶质分子通过的半透膜把一种溶液和它的纯溶
剂隔开时，纯溶剂将通过半透膜扩散到溶液中而将其稀释，这种现象称为渗透实际上，溶剂是同时沿着两个方向通过半透膜的。

由于纯溶剂的蒸气压比溶液的蒸气压大，所以纯溶剂向溶液的渗透速率要比相反方向的渗透速率大，即若被半透膜隔开的两边溶液的浓度不等（即单位体积内溶剂的分子数不等），则可发生渗透现象。

因此渗透现象发生的条件除半透膜外，膜两侧溶液渗透浓度的不同是一个必要条件。

一定温度下，不论是电解质溶液还是非电解质溶液，也不论是用质量浓度还是用物质的量浓度来表示溶液的浓度，只要溶液的渗透浓度相同，即单位体积溶液中所含溶质的总的颗粒数相同，就不会有渗透现象发生；只有溶液渗透浓度不相同时，即单位体积溶液中所含溶质的总的颗粒数不相同，才会有渗透现象发生。

那么渗透现象的本质又是什么呢？让我们先看溶解情况，由于液体分子间距离较小，故
分子间互相作用的势能(简称分子势能)比较强，不能像理想气体那样可以忽略。

在溶解(包括纯溶剂与溶液混合形成较稀的溶液)过程中，溶剂和溶质分子的分布发生变化，它们之间的距离、位置都改变了，因而整个渗透系统的分子势能就随之发生变化。

由实验可知，溶液是均匀而平衡的系统，具有高度的稳定性。

而由能量最小原理可知，稳定的平衡系统的势能处于最小值，故溶液的分子势能必处于最小值状态，溶解过程就是系统的分子势能降低至最小值，以达到稳定的平衡态的过程。

再看渗透过程，把两个彼此独立、各自分别处于平衡态的溶剂和溶液系统以半透膜分隔，构成一个渗透系统(包括A、B),两部分的分子发生互相作用，破坏了平衡系统的分子势能就不处于最小值,这就产生了溶剂A 和溶液B混合形成单一均匀的溶液的倾向,以使系统的分子势能达到最小值,系统得以实现新的平衡,但由于溶质分子不能透过半透膜,故混合只能由溶剂分子从A透过半透膜进入B来进行，这就形成了渗透。

渗透过程所减少的分子势能，一部分转化为系统的重力势能，另一部分转化为从A 流入B 的溶剂分子的定向运动动能。

可见，渗透的本质是系统要通过溶剂分子的迁移达到分子势能最小的稳定平衡态，系统的重力势能并不是凭空增加，而是由系统的分子势能转化而来，这符合能量转化与守恒定律，至于转化为定向运动动能的另一部分能量．由于液体有粘滞性，最终将转化为热能。

渗透压的定义
工科大学化学中定义渗透压是为维持被半透膜所隔开的溶液与纯溶剂之间的渗透平衡
需要的额外压力。

任何溶液都有渗透压，但是如果没有半透膜将溶液与纯溶剂隔开，渗透压即无法体现。

显然，造成渗透现象的原因是半透膜两边溶液的渗透压的差异，而对每一讨论的对象而言，渗透压是通过半透膜的界面指向对象溶液的，是造成渗透现象的原始驱动力，是溶液的一种性质(稀溶液的依数性之一)。

不管是否外加压力，也不管半透膜间隔的对象溶液的另一边溶液的浓度是多少，它都始终存在，且为定值。

那么，用“为维持只允许溶剂通过的膜所隔开的溶液与纯溶剂之间的渗透平衡而需要的超额压力”作为“渗透压”的定义显然犯了两个错误：一是“为维持只允许溶剂通过的膜所隔开的溶液与纯溶剂之间的渗透平衡而需要的超额压力”仅仅是用来测定“渗透压”的方法，是不能作为“渗透压”定义的；二是方法中的“超额压力”力的方向是与对象溶液的“渗透压”产生的力的方向是相反的。

另外，“将溶液的外压从p增加到p+Π，使溶液中溶剂的化学势等于压力p下纯溶剂的化学势时，达到渗透平衡后，溶剂液面和同一水平面的溶液截面上所受的压力为p及p+ρg h(h 为两液面高度差)，后者与前者之差称为渗透压，以Π表示”。

这类叙述同样是不严格的。

因为，此时ρg h等于通过渗透过程后的对象溶液的“Π”，但这一“Π”并不与渗透过程进行前的“Π”相同，因为此时对象溶液的浓度比开始时要小。

浓度Π的这一变化是不能随便予以忽略的，我们讨论的本身就是稀溶液，通过对溶液渗透压的测定，也能测定溶质的相对分子质量的大小。

除此之外，还有定义如：(1)渗透压是渗透压强的简称，引起渗透发生的压强。

在数值
上等于在原溶液上加以恰好阻止溶剂进入溶液的机械压强。

也就是等于渗透作用停止进行时半透膜两边溶液和溶剂上的压力差。

(2)用半透膜将溶液与溶剂隔开，二液面相平时，阻止溶剂通过半透膜流入溶液所施加于溶液的最小额外压力就是渗透压②。

这两种说法均不正确，(1)说的不足在于对渗透压没有指定参比标准。

这样一来，不仅有溶液和溶剂间的渗透压，还有较浓溶液和较稀溶液问的渗透压，无谓增加了复杂性。

对于后者，计算渗透压的范氏公式Π=CRT也无法应用。

因为半透膜两侧有两个浓度c左和c右，另外，这段话共提出
的三个“相等的”压强，并不完全相等。

(2)将渗透压定义成对溶液液面的一个外来压强，是不够妥当的。

这会给渗透后溶液液面上升的解释带来困难，因为液面上升与所定义的渗透压”的方向恰好相反。

这个外来压强与其说是“渗透压”，不如说是“反渗透压”更合适(这个外来压强稍微再增大就会引起“反渗透”进行)．下面的说法显然更易为人们所理解、接受。

即：体系自身产生“渗透压”引起渗透进行。

外加的“反渗透压”引起反渗进行，二者方向相反，大小相等，差别只是一个无穷小量而巳(忽略流体运动阻力)。

综上所述，我认为渗透压应这样定义：溶液本身固有的，导致只允许溶剂通过的膜所隔开的溶液与纯溶剂之间渗透现象发生的，通过膜指向溶液的单位面积上的力称为渗透压。

渗透压用“Π”表示。

稀溶液的渗透压与浓度、温度的关系可以用下式表示：
Π×V=n B×R×T
即Π=c B×R×T (1)
(1)式中，Π是溶液的渗透压，单位为Pa；c B是溶液的浓度，单位为mol·L-1；R是气体常数，为8．31kPa·L·mol-1·K-1;T是体系的温度，单位为K。

另外，有人认为，渗透压的定义可描述为：溶剂分子通过半透膜由纯溶剂进入溶液的扩散动力。

这种说法我认为也是正确的。

其中包含了一下几层意思：(1)有半透膜存在，膜两侧溶液浓度不相等时，才有渗透现象表现出来；(2)产生的原因是溶液蒸气压下降，即溶液的蒸气压低于纯溶剂的蒸气压形成的溶剂分子的扩散；(3)渗透的方向与溶剂分子运动的方向一致；(4)半透膜两侧溶液渗透压的方向是相反的，这两个相反方向上力的合力的方向就是观察到的溶剂分子运动的方向。

结论
渗透现象发生条件：一是要有半透膜存在；二是半透膜两侧的溶液要存在渗透浓度差。

只有这2个条件同时具备，渗透现象才会发生，且渗透方向指向渗透浓度大的一方，也就是由低渗溶液向高渗溶液渗透。

这正是渗透定律的实质所在：一定温度下，难挥发稀溶液渗透压的大小与单位体积内溶质的总颗粒数成正比。

而渗透压这一概念应如此理解：一定温度下，某溶液与其纯溶剂以半透膜隔开（两液面相平且与大气相通）时，引起渗透进行的压强为渗透压，其方向从半透膜指向溶液内部，而其大小近似等于为阻止渗透进行而对溶液施加的额外压强。

即准确定义为溶液本身固有的，导致只允许溶剂通过的膜所隔开的溶液与纯溶剂之间渗透现象发生的，通过膜指向溶液的单位面积上的力称为渗透压。

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