渗透现象和渗透压

假设在很浓的蔗糖溶液的液面上缓慢地加一层清水,不停地运动是分子的特性,则水分子会从上层进入下层;同时,蔗糖分子从下层进入上层。一段时间后,上面的水也有甜味了,最后可形成浓度均匀一致的溶液。此过程称为扩散。

有一种特殊性质的薄膜,它只允许较小的溶剂水分子自由通过而溶质分子很难通过,这种薄膜称为半透膜。半透膜有天然存在的,像动物的膀胱膜、肠衣、鸡蛋衣、生物的细胞膜等;也可以人工制得,如羊皮纸、火棉胶、玻璃纸和硫酸纸等。如果用半透膜将蔗糖溶液和纯水隔开,就会发生渗透现象。

图3-1　渗透现象

下面通过一个简单的实验来说明渗透现象。如图3-1所示,把一个长颈漏斗口用半透膜扎紧,然后把它安装固定在铁架台上。在长颈漏斗内加入500g/L蔗糖溶液,而在烧杯中放入一定量的水,先使烧杯和长颈漏斗里外液面相平。一段时间后,可以看到长颈漏斗中液面慢慢升高,升到某个高度(h)后不再上升。液面上升是由于烧杯内的水透过半透膜进入到蔗糖溶液中。这种溶剂分子通过半透膜由纯溶剂进入溶液或由稀溶液进入浓溶液的现象称为渗透现象,简称渗透。

渗透现象可以用分子运动学说来解释。由于在半透膜内是蔗糖溶液,而膜外是纯水,因此半透膜内外溶剂水的浓度(单位体积内水分子的个数)不相等,蔗糖溶液中水分子个数小于纯溶剂中水分子的个数。因此,单位时间内从纯溶剂水进入蔗糖溶液的水分子数要比从蔗糖溶液进入纯水中的水分子数多得多,由此产生了渗透现象。结果表现为水不断透过半透膜渗入蔗糖溶液,使蔗糖溶液的浓度逐渐变稀而体积逐渐增大,溶液的液面不断上升,至某一高度后停止。

为什么液面上升到某一高度静止不动呢?这是因为随着渗透的进行,管内溶液的液面逐渐升高,产生液体压力,管内液柱的压力迫使纯水中的水分子从外进入蔗糖溶液的速度逐渐变慢。当管中的液面上升到一定高度时,水分子透过半透膜向里外两个方向渗出的速度相等,即单位时间内水分子从纯水进入溶液的数目与从溶液进入纯水的数目相等,体系达到动态平衡,称为渗透平衡。这时管内液面不再变化,渗透现象不再进行。此时管内液柱所产生的压强称为蔗糖溶液的渗透压。若用半透膜把两种不同浓度的溶液隔开同样会发生渗透现象,这时水分子透过半透膜从稀溶液渗入浓溶液中去。

由此可见,渗透现象的实质是水分子由纯水向溶液或由稀溶液向浓溶液方向渗透的过程,但必须有半透膜存在,否则不会发生渗透现象,只会出现扩散现象。总之,产生渗透现象必须具备两个条件:一是有半透膜存在;二是半透膜两侧溶液有浓度差。

渗透压的大小可以用管内、外液面高度之差(h)来衡量。这段液面高度之差所产生的压强即为该溶液的渗透压。因此,渗透压可以定义为:将两种浓度不同的溶液用半透膜隔开,恰能阻止渗透现象继续发生,而达到动态平衡的压力,称为渗透压。

渗透压的单位为帕(Pa)或千帕(kPa),医学上常用千帕(kPa)。