2.5 溶液的渗透压
2.5.1 渗透现象与渗透压
扩散（diffuse）是指物质分子从高浓度区域向低浓度区域转移直到均匀分布的现象，它是由于分子热运动而产生的质量迁移现象，主要是由于密度差引起的。如在容器中加入一定量的蔗糖溶液，再在溶液上方加入一层水，在避免任何机械振动的情况下，静置一段时间，蔗糖分子将向水层运动，水分子将向蔗糖溶液中运动，最后将形成均匀化的蔗糖溶液。
假如用一种只允许溶剂分子透过，而溶质分子不能透过的半透膜（semi-permeable membrane）将上述的蔗糖与水分开，如图2-5（a）所示，一段时间后，可以看到蔗糖一侧的液面上升，如图2-5（b）所示。这说明水分子不断地通过半透膜转移到蔗糖溶液中。不同浓度的两个溶液用半透膜隔开，也会发生这种现象。这种溶剂分子因在膜两侧浓度不均匀通过半透膜而扩散导致的从纯溶剂向溶液或从稀溶液向较浓溶液的净转移现象称为渗透（osmosis）。
图2-5 渗透现象和渗透压
半透膜种类繁多，其中只允许溶剂分子透过，不允许溶质分子透过的半透膜称为理想半透膜。本章主要讨论理想半透膜的情况。由于膜两侧单位体积内溶剂分子数不等，单位时间内由纯溶剂进入溶液的溶剂分子数比由溶液进入纯溶剂的多，膜两侧渗透速度不同，结果使一侧的液面上升。因此，渗透现象的产生必须具备两个条件：一是有半透膜存在；二是半透膜两侧单位体积内溶剂分子数不相等。渗透的方向总是溶剂分子从溶剂向溶液，或是从稀溶液向浓溶液迁移，从而缩小溶液的浓度差。
发生渗透现象后，溶液液面升高，静水压增大，驱使溶液中的溶剂分子加速通过半透膜，当静水压增大到一定值后，单位时间内从膜两侧透过的溶剂分子数相等，溶液液面不再变化，达到渗透平衡。如果要使渗透现象不发生，必须在溶液一侧施加一额外压力，如图2-5（c），这种为维持被半透膜隔开的纯溶剂与溶液之间的渗透平衡所需要加给溶液的额外压力称为渗透压（osmotic pressure）。渗透压以符号П表示，单位为Pa或kPa。溶液的渗透压具有依数性质。溶液的渗透压在生物学中有很重要的作用，植物细胞汁的渗透压可高达2.0×106Pa，土壤中水分通过这种渗透作用，送到树梢。鲜花插在水中，可以数日不萎缩，海水中的鱼不能在淡水中生活，都与渗透压有关。
若在溶液一侧施加大于渗透压的额外压力，则溶液中将有更多的溶剂分子通过半透膜进入溶剂一侧。这种使渗透作用逆向进行的过程称为反渗透（reverse osmosis）。反渗透原理在工业废水处理、海水淡化、浓缩溶液等方面都有广泛应用。用反渗透法来淡化海水所需要的能量仅为蒸馏法的30%，目前已成为一些海岛、远洋客轮、某些缺少饮用淡水的国家获得淡水的重要方法。反渗透法处理无机废水，去除率可达90%以上，对于含有机物的废水，有机物的去除率也在80%以上。
2.5.2 渗透压与浓度、温度的关系
实验证明：在一定温度下，稀溶液的渗透压与其浓度成正比；在浓度一定时，溶液的渗透压与绝对温度成正比。1886年，荷兰物理化学家范特霍夫（J.H.Van't Hoff）通过实验得出稀溶液的渗透压与溶液浓度和温度关系：
（2-13）
（2-14）
式中，П是渗透压；V为溶液体积；nB为溶质的物质的量；cB为溶质的物质的量浓度；R为摩尔气体常数；T为热力学温度。式（2-14）称为范特霍夫定律，它表明，在一定温度下，稀溶液的渗透压与单位体积溶液中溶质质点的数目成正比，与溶质的本性无关。
化学家小传——范特霍夫
范特霍夫（J.H.van’tHoff，1852—1911），荷兰化学家。1852年8月30日生于鹿特丹一个医生家庭。1874年获博士学位；1876年起在乌德勒州立兽医学院任教。1877年起在阿姆斯特丹大学任教，先后担任化学、矿物学和地质学教授。1885年被选为荷兰皇家学会会员，他还是柏林科学院院士及许多国家的化学学会会员。1911年3月1日在柏林逝世。
范特霍夫首先提出碳原子是正四面体构型的立体概念，弄清了有机物旋光异构的原因，开辟了立体化学的新领域。在物理化学方面，他研究过质量作用和反应速度，发展了近代溶液理论，包括渗透压、凝固点、沸点和蒸气压理论；并应用相律研究盐的结晶过程；还与奥斯特瓦尔德（Ostwald）一起创办了《物理化学杂志》。1901年，他以溶液渗透压和化学动力学的研究成果，成为第一个诺贝尔化学奖获得者。主要著作有：《空间化学引论》《化学动力学研究》《数量、质量和时间方面的化学原理》等。
范特霍夫精心研究过科学思维方法，曾做过关于科学想象力的讲演。他竭力推崇科学想象力，并认为大多数卓越的科学家都有这种优秀素质。他具有从实验现象中探索普遍规律的高超本领，同时又坚持：“一种理论，毕竟是只有在它的全部预见能够为实验所证实的时候才能成立”。
对于稀水溶液，浓度很低，物质的量浓度近似地等于质量摩尔浓度，即cB≈bB，因此，式（2-14）可改写为
（2-15）
【例题2-7】 将2.00g蔗糖（C12H22O11）溶于水，配成50.0mL溶液，求该溶液在37℃时的渗透压。
解 T=（37+273）K=310K，m（C12H22O11）=2.00g，V=50.0mL，M（C12H22O11）=342g·mol-1，则
非电解质稀溶液的依数性可用于测定溶质的摩尔质量。事实上，常用凝固点降低法和渗透压法来测定，因为这两种依数性改变最显著。但是小分子溶质的摩尔质量用渗透压法测定相当困难，多用凝固点降低法测定。而对于蛋白质等大分子物质的摩尔质量的测定，凝固点降低法和渗透压法都可采用，渗透压法测量误差更小，比凝固点降低法更灵敏。
【例题2-8】 将35.0g血红蛋白（Hb）溶于足量纯水中，配成1.00L溶液，在298K时测得溶液的渗透压为1.33kPa，求Hb的摩尔质量。
解 T=（25+273）K=298K，mB=35.0g，V=1.00L，Π=1.33kPa，则
2.5.3 渗透压在医学上的意义
2.5.3.1 渗透作用与生理现象
对稀溶液而言，渗透压具有依数性，仅与溶液中溶质粒子的浓度有关，与粒子的本性无关。将溶液中能够产生渗透效应的溶质粒子（分子、离子等）统称为渗透活性物质，在医学上，将渗透活性物质物质的量浓度的总和定义为渗透浓度（osmolarity），且常用渗透浓度表示溶液渗透压的大小。因为根据范特霍夫定律，在一定温度下，稀溶液的渗透压与渗透活性物质的总浓度成正比。渗透浓度的符号为cos，单位为mol·L-1或mmol·L-1。
溶液渗透压的高低是相对的，渗透压相等的两种溶液互称为等渗溶液（isotonic solution）。渗透压不相等的两种溶液中，渗透压较高的溶液称为高渗溶液（hypertonic solution），渗透压较低的溶液称为低渗溶液（hypotonic solution）。医学上溶液的等渗、低渗、高渗是以血浆总渗透浓度为标准确定的。正常人血浆的渗透浓度为304mmol·L-1，临床上规定渗透浓度在280～320mmol·L-1之间的溶液为生理等渗溶液。如9.0g·L-1的生理盐水（308mmol·L-1）、50.0g·L-1的葡萄糖溶液（280mmol·L-1）、12.5g·L-1的NaHCO3溶液（298mmol·L-1）都是生理等渗溶液。
在临床治疗中，当为病人大量输液时，要特别注意输液的渗透浓度，否则可能导致机体内水分调节失常及细胞的变形和破坏。以红细胞为例（图2-6），由于红细胞膜具有理想半透膜的性质，正常情况时，膜内的细胞液和膜外的血浆等渗，因此，若将红细胞置于生理等渗溶液中，细胞内外仍处于渗透平衡状态，红细胞保持不变［图2-6（a）］。但若将细胞置于低渗溶液中，膜外溶液的渗透压低于膜内细胞液的渗透压，细胞外液中的水分将向细胞内渗透，以致细胞内的液体逐渐增多，细胞膨胀，严重时可使红细胞破裂，释放出红细胞内的血红蛋白使溶液染成红色，医学上将这一过程称为细胞溶血（hemolysis）［图2-6（b）］。但若将细胞置于高渗溶液中，膜外溶液的渗透压高于膜内细胞液的渗透压，细胞内液中的水分将向细胞外渗透，使细胞内的液体减少，细胞逐渐皱缩［图2-6（c）］，皱缩的红细胞互相聚结成团。此现象若发生于血管内，将产生“栓塞”（embolism）。
图2-6 红细胞在不同溶液中的变化
【案例分析2-2】 在临床治疗中，当为患者大量输液时，一般需使用等渗溶液。但在处理低血糖患者时，可注射少量500g·L-1葡萄糖溶液，试说明原因。
问题：为什么临床治疗中有时可不使用等渗溶液？
分析：溶液渗透压过高或过低都会造成细胞活性的破坏，只有等渗溶液才能维持细胞的正常活性。500g·L-1葡萄糖溶液属于高渗溶液，如果大剂量使用，会造成细胞活性的破坏，在临床治疗中，为患者大量输液时是坚决不允许使用的。但在低血糖或重症（如休克等）患者需急救时却可使用，使用时必须采用小剂量、慢速度注射，由于体液的量相对很大，注射进入人体的浓溶液会被体液逐渐稀释和吸收代谢，因而不致引起局部高渗等不良后果。
2.5.3.2 晶体渗透压和胶体渗透压
医学上，习惯将电解质和小分子物质称为晶体物质，而将高分子物质称为胶体物质。血浆中含有小分子和离子（如Na+、K+、HC
、葡萄糖、氨基酸等）和高分子（如蛋白质、核酸等），血浆渗透压是这两类物质所产生渗透压的总和。其中由小分子晶体物质产生的渗透压叫做晶体渗透压（crystal osmotic pressure）；由高分子胶体物质产生的渗透压叫做胶体渗透压（colloidal osmotic pressure）。
血浆中晶体物质的含量约为0.75%，胶体物质约为7%。虽然胶体物质的含量高，但它们的分子量很大，粒子数很少。晶体物质在血浆中含量虽然很低，但分子量很小，多数又可离解成离子，因此粒子数较多。所以，血浆总渗透压绝大部分是由晶体物质产生的。在37℃时，血浆总渗透压约为769.9kPa，其中胶体渗透压仅为2.9～4.0kPa。
晶体渗透压和胶体渗透压在体内起着重要的调节作用，但由于人体内各种半透膜的通透性不同，晶体渗透压和胶体渗透压在维持体内水盐平衡功能上也各不相同。
细胞膜是体内的一种较理想的半透膜，它将细胞内液和细胞外液隔开，水分子在膜两边可以相对自由地通过，而Na+、K+等离子却不易通过。因此，晶体渗透压对维持细胞内外的水盐平衡起着主要作用。如果由于某种原因引起人体缺水，则细胞外液中盐的浓度将相对升高，晶体渗透压增大，于是细胞内液的水分子透过细胞膜向细胞外液渗透，造成细胞内失水。又如，大量饮水或静脉输入过多的溶液时，细胞外液电解质的浓度就会降低，晶体渗透压减小，细胞外液中的水分子将透过细胞膜向细胞内液渗透，严重时可产生水中毒。临床上常用晶体物质的溶液来纠正某些疾病所引起的水盐失调。日常生活中，向高温作业者提供盐汽水，就是为了维持细胞外液晶体渗透压的恒定。
血液净化技术
血液净化技术是近年来临床医学领域迅速发展起来的一门新兴交叉学科，它起源于肾脏疾病的治疗，现被广泛应用于医学多个专业中，成功治疗了很多疑难病症，特别是在危重病监护（ICU）方面发挥了巨大作用，为患者康复做出了重要贡献。由于其发展需借助生物材料、微电子学、分子生物学等领域的先进技术，因此，血液净化已成为医院现代化的重要衡量标志之一。
血液净化技术的原理是将患者血液引出体外，建立血管循环通路，通过系列净化装置——透析机、透析器、血管路、透析液，利用弥散、对流、吸附、分离等原理，除去某些致病物质，净化血液，从而达到治疗疾病的目的。
例如，血液透析就是血液净化的一种方式，目的在于通过扩散、对流等原理将肾衰竭患者体内各种有害的、多余的代谢废物和过多的电解质移出体外，从而调节水、电解质和酸碱平衡的部分功能，净化血液。这种方法是根据膜平衡渗透原理，将患者的血液与透析液同时引入透析器内，利用渗透膜两侧溶质的浓度差，达到清除体内多余水分、代谢产物和毒性溶质或向体内补充所需溶质的目的。现代血液透析还被拓展到药物和毒物中毒、戒毒、心力衰竭等各个系统的疾患中。
目前临床上采用的血液净化方法很多，如血液透析、血液透析滤过、连续性肾脏替代、血液灌流、单纯超滤、序贯透析、血浆置换、腹膜透析、腹水回输等。根据不同的治疗目的，选择不同的血液净化方式。
毛细血管壁也是体内的一种半透膜，它间隔着血浆和组织间液，可以允许水分子和各种小分子小离子透过，而不允许蛋白质等高分子物质透过。因此，胶体渗透压虽然很小，却对维持毛细血管内外的水盐平衡起主要作用。如果由于某种疾病造成血浆蛋白质减少时，则血浆的胶体渗透压降低，血浆中的水和盐等小分子小离子物质就会透过毛细血管壁进入组织间液，造成组织间液增多，血容量下降，这是形成水肿的原因之一。临床上对大面积烧伤或失血过多等原因造成血容量下降的患者进行补液时，由于这类患者血浆蛋白质损失较多，除补给电解质溶液外，还要输入血浆或右旋糖酐，以恢复血浆的胶体渗透压并增加血容量。
思考题2-7 浓度不同的两溶液用半透膜分隔开，会产生渗透现象吗？为维持渗透平衡，需在浓溶液液面上施加压力，此压力是浓溶液的渗透压吗？
思考题2-8 渗透平衡时，半透膜两边溶液浓度是否一定相同？