4.3.4　溶液的渗透压

人在淡水中游泳，会觉得眼球胀痛；因失水而发蔫的花草，浇水后又可重新复原；在插鲜花的瓶中加入一些水，可以使鲜花更鲜艳；淡水鱼不能生活在海水里……上述现象均与渗透有关。

1）渗透现象和渗透压

将一滴蓝色溶液加入到一杯纯水中，杯子里的水很快就会变成蓝色。这叫作“扩散现象”，是蓝色物质自发地从浓度大的地方向浓度小的地方扩散，扩散的结果使溶液成为一个均匀的体系。这种扩散是在直接接触时发生的。

如果不让溶液与水直接接触，用一种只允许溶剂分子通过，而溶质分子不能通过的半透膜把它们隔开，如图4.3（a）所示。这样会有什么现象发生呢？

半透膜是一种只允许某些物质透过而不允许另一些物质透过的薄膜。例如，动物的肠衣、细胞膜、血管壁，人工制得的羊皮纸、玻璃纸、火棉胶等，都属于半透膜。理想的半透膜只允许溶剂分子（如水分子）透过，而溶质分子或离子不能透过。本书中的半透膜未作特殊说明明时，均指理想半透膜。

当把溶液（如蔗糖溶液）和它的纯溶剂（如水）用半透膜隔开时，溶剂分子可以自由地透过半透膜，而溶质分子不能透过。由实验可知，溶剂分子透过半透膜的速度与单位体积溶液中所含溶剂的分子数成正比。由于溶液中单位体积内的溶剂分子数小于纯溶剂中单位体积内的溶剂分子数，所以，溶剂分子透过半透膜进入溶液中的速度大于溶液一侧向纯溶剂中透过的速度。总的结果是有一部分溶剂分子透过半透膜进入溶液，使溶液的体积增大，液面升高，如图4.3（b）所示。这种溶剂分子透过半透膜进入溶液的现象称为渗透现象，这个过程称为渗透。随着溶液液面的升高，其液柱产生的静水压力逐渐增大，从而使溶液中的溶剂分子加速透过半透膜，同时使纯溶剂一侧向溶液的渗透速度减小。当静水压力增大到一定值后，两个方向的渗透速度就会相等，液柱高度不再变化，达到渗透平衡。

图4.3　渗透现象和渗透压

当稀溶液与浓溶液用半透膜隔开时，同样也会产生渗透现象，此时溶剂分子由稀溶液一侧向浓溶液一侧渗透，也可认为浓溶液有吸水作用。由此可知：溶剂的渗透是由稀溶液向浓溶液渗透。

综上所述，产生渗透现象必须具备两个条件：一是有半透膜存在；二是半透膜两侧的溶液单位体积内溶剂分子数目不相等，或者说，半透膜两侧单位体积内溶剂分子的浓度不相等。

在一定温度下，将一溶液与纯溶剂用半透膜隔开，为阻止渗透现象的发生而在溶液液面上施加的额外压力称该溶液在这个温度下的渗透压，如图4.3（c）所示。渗透压用符号Π 表示，其单位是Pa 或kPa。

如果半透膜两侧是不同浓度的溶液，为了阻止渗透现象的发生，可以在较浓溶液液面上施加一额外压力。但是，这个压力既不是浓溶液的渗透压，也不是稀溶液的渗透压，而是两种溶液的渗透压之差。

2）渗透压与溶液浓度和温度的关系

1886年荷兰化学家范特霍夫（Van’t Hoff）根据实验数据归纳出一条定律：难挥发非电解质稀溶液的渗透压与溶液的浓度和绝对温度的乘积成正比，可以表示为

式中，Π 为溶液的渗透压（kPa），c 为非电解质溶液的物质的量浓度（mol/L），T 为溶液的绝对温度（单位为K，T=273.15+t），R 为摩尔气体常数，R=8.314 J/（K·mol）。这一关系称为范特霍夫定律。

例4.4 有一蛋白质的饱和水溶液，每升含有蛋白质5.18 g，已知在298.15 K 时，溶液的渗透压为413 Pa，求此蛋白质的相对分子质量。

解

由Π=cBRT=，得

从范特霍夫定律可以得出这样的结论：在一定温度下，稀溶液的渗透压取决于单位体积溶液里溶质的质点数，而与溶质的本性和种类无关。所以，渗透压也称为稀溶液的依数性。

范特霍夫定律适用于非电解质稀溶液渗透压的计算。计算电解质溶液的渗透压时，由于电解质在溶液中会发生电离，1“分子”的电解质会产生若干个离子，使溶液中溶质微粒的总浓度大于电解质本身的浓度，所以，必须要考虑电解质的离解。故公式（4.16）引进了校正系数i（i 称为范特霍夫系数），即

对难挥发强电解质的稀溶液，i 值可以近似取整数，它表示1 个强电解质“分子”在溶液中离解出的离子数。例如NaCl 溶液i=2，CaCl2 溶液i=3，Na3PO4 溶液i=4，NaHCO3溶液i=2。

课堂互动

临床上使用的生理盐水注射液（9.0 g/L）和葡萄糖注射液（50.0 g/L）的渗透浓度为多少？

3）渗透压在医学上的意义

渗透现象和生命科学有着密切的联系，它广泛存在于动植物的生理活动中。

（1）渗透浓度。正常人体可以看作是一个等温体系，根据范特霍夫定律，体液的渗透压只与体液中溶质微粒（分子或离子）的总数有关。体液是一个复杂的体系，有电解质也有非电解质。体液中的非电解质分子和电解质电离而产生的离子，无论哪一个分子或哪一个离子对体液的渗透压的贡献都是一样的，即它们中每一个粒子的渗透效应都是相同的。因此在医学上，通常用渗透浓度来比较溶液渗透压的大小。

渗透浓度可以定义为：1 L 溶液中能产生渗透效应的所有溶质微粒的总的物质的量。用符号cos表示，单位常用mmol/L。

（2）等渗、低渗和高渗溶液。在相同温度下，如果两溶液的渗透压相等，则称两溶液互为等渗溶液。如果溶液的渗透压不相等，渗透压高的称为高渗溶液，渗透压低的称为低渗溶液。由此可知，等渗、低渗和高渗溶液是相对的，与所选取的相对标准有关。

临床上，溶液的等渗、低渗和高渗是以血浆的渗透浓度为标准来衡量的。由实验测定结果可知，正常人血浆的渗透浓度平均值约为304.7 mmol/L。据此，临床上规定：凡是渗透浓度在280～320 mmol/L 的溶液为等渗溶液；渗透浓度低于280 mmol/L 的溶液为低渗溶液；渗透浓度高于320 mmol/L 的溶液为高渗溶液。临床上常用到的生理盐水（质量浓度为9 g/L 的NaCl 溶液）、50 g/L 的葡萄糖和12.5 g/L 的NaHCO3 溶液均为等渗溶液。

在给患者输液时，通常要考虑溶液的渗透压。这是因为红细胞内液为等渗溶液，当红细胞置于低渗溶液中时，细胞膜外溶液的渗透压低于细胞膜内溶液的渗透压，水分子向细胞内渗透，红细胞将逐渐膨胀，当膨胀到一定程度后就会破裂，释出血红蛋白。这种现象在医学上称为溶血现象，如图4.4（a）所示。当红细胞置于高渗溶液中时，细胞膜外溶液的渗透压高于细胞膜内溶液的渗透压，水分子向细胞外渗透，红细胞将逐渐皱缩，这种现象在医学上称为胞浆分离，如图4.4（b）所示。皱缩后的细胞失去了弹性，当它们相互碰撞时，就可能粘连在一起而形成血栓。只有在等渗溶液中时，红细胞才能保持其正常形态和生理活性，如图4.4（c）所示。溶血现象和血栓的形成在临床上都可能会造成严重的后果。

图4.4　红细胞在不同溶液中的形态示意图

临床上还有许多其他方面也要考虑溶液的渗透压。例如，通常用与组织细胞液等渗的生理盐水冲洗伤口，如用纯水或高渗盐水会引起疼痛；当配制眼药水时，除了要考虑溶液的酸碱度外，还要考虑溶液的渗透压与眼结膜细胞内液的渗透压是否相等，否则会刺激眼睛引起疼痛；在使用高渗溶液时，应注意一次输入剂量不宜过大，注射速度要慢一些。

（3）晶体渗透压与胶体渗透压。人体体液中含有多种电解质（如NaCl）、小分子物质（如葡萄糖）和高分子化合物（如蛋白质等）。其中电解质离解的小离子和小分子物质产生的渗透压称为晶体渗透压，蛋白质等高分子化合物产生的渗透压称为胶体渗透压。人体血浆的正常渗透压约为770 kPa，其中晶体渗透压约为766 kPa，胶体渗透压仅为4.85 kPa左右。

由于生物半透膜（如细胞膜和毛细血管壁）对各溶质的通透性并不相同，所以晶体渗透压和胶体渗透压有不同的生理功能。细胞膜是一种功能极其复杂的半透膜，不但蛋白质等大分子物质不易透过，小分子物质和电解质离子也不能自由透过，只有水分子可以自由透过细胞膜。由于晶体渗透压远大于胶体渗透压，所以细胞外液晶体渗透压对维持细胞内外的水、盐平衡和细胞正常形态起着重要作用。毛细血管壁也是半透膜，它可以让水、体积小的离子和小分子物质自由通过，而不允许蛋白质等高分子化合物的分子和离子透过，所以血浆中胶体渗透压对维持毛细血管内外的水、盐平衡起着重要作用。如果因某种原因而使血浆蛋白含量减少，导致血浆胶体渗透压降低，血浆内的水、盐就会透过毛细血管壁进入组织间液，引起水肿。