(7)-1.3溶液的渗透压及渗透浓度

同学们好!上次课我们学习了溶液的沸点升高、凝固点降低，都来源于溶液蒸气压的下降。溶液蒸气压的下降还带来一个影响：溶液具有渗透压。本次课的内容包括：溶液的渗透压、渗透浓度。生活中有这么一些现象：人在淡水中游泳会觉得眼球胀痛；施过化肥的农作物需要立即浇水；临床输液用的葡萄糖浓度是50.0g/L。这些现象与细胞膜的渗透现象有关。一、渗透现象如果将蔗糖水溶液与水用半透膜（semipermeablemembrane）隔开，使膜内和膜外液面相平，静置一段时间后，可以看到膜内溶液的液面不断上升（图1），说明水分子不断地透过半透膜进入溶液中。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膜。理想半透膜是一种允许体积较小的溶剂（水）分子自由通过，而体积相对较大的溶质粒子（如蔗糖分子、Na+、Cl－等）不能自由通过的选择性通透膜。细胞膜、毛细血管壁、植物根膜等生物膜都具有半透膜的性质。图1溶液的渗透现象溶剂透过半透膜进入溶液的自发过程称为渗透现象(osmosis)。两种不同浓度的溶液用半透膜隔开时也同样有渗透现象发生。半透膜的存在和半透膜两侧单位体积内不能透过半透膜的溶质粒子的数目不相等是产生渗透现象的两个必要条件。渗透现象自发进行的方向：总是溶剂分子从纯溶剂一方向溶液一方或从较稀溶液一方向较浓溶液一方进行。用半透膜将纯水与溶液隔开时，渗透现象必然发生。如图很显然纯溶剂的蒸气压要高于溶液的蒸气压，存在净转移的趋势。因此，渗透现象发生的根本原因是溶液的蒸气压下降。不同浓度的溶液产生的水的高度是不一样的。为了衡量不同溶液的渗透能力，引入新的概念：渗透压。溶液的渗透压就是由于渗透产生的静压力。注意：溶液具有渗透压，但不一定发生渗透现象。溶液具有渗透压是溶液的一种性质，类似溶液具有沸点。下一个问题是：渗透压的大小是否可以测量？如图，要想阻止渗透的发生必须在溶液一方施加一份额外的压力，这种施加于溶液液面且刚好能阻止渗透现象发生的压力在数值上等于该溶液的渗透压（osmoticpressure）。渗透压的符号为，SI单位为Pa或kPa。既然可以测量渗透压，那么是否有相应的理论计算？接下来将讨论溶液的渗透压与浓度及温度的关系。二、溶液的渗透压与浓度及温度的关系1886年，荷兰化学家van’tHoff（范德霍夫）根据大量实验数据总结得出：“理想稀溶液的渗透压与溶液的浓度和温度的关系同理想气体方程式一致”，即：ΠV=nBRT或Π=cBRT这个公式称为van’tHoff方程式。式中为非电解质稀溶液的渗透压，nB为溶质的物质的量，cB为溶液的浓度，V为溶液的体积，T为绝对温度，R为气体常数。van’tHoff公式表明，在一定温度下，溶液的渗透压与单位体积溶液中所含不能透过半透膜的粒子数（分子数或离子数）成正比，而与溶质的本性无关。对于稀溶液，cB在数值上近似等于质量摩尔浓度bB，Π=cBRT可写成：＝bBRT此式表示：在一定温度下，非电解质稀溶液的渗透压与溶液的质量摩尔浓度成正比。表明，溶液的渗透压具有稀溶液的依数性。在高分子化合物溶液中，由于高分子溶质的相对分子质量很大，通常浓度很低，其△Tb和△Tf均很小，因而用沸点上升和凝固点下降法测定其相对分子质量会造成结果较大误差，而渗透压法却相当灵敏，故常用渗透压法测定高分子化合物的相对分子质量。前面讨论的是非电解质稀溶液，稀溶液的依数性：ΔTb=KbbB；ΔTf=KfbBΠ=cBRT=bBRT。人体体液中有大量的强电解质，因此，必须懂得强电解质稀溶液依数性的计算。问题：电解质稀溶液会不会出现类似非电解质稀溶液依数性行为？由表中可知，氯化钠的凝固点降低的测量值与理论计算值不一样，实验值是计算值的1.87倍。因此，计算强电解质稀溶液依数性，必须引入校正因子i。强电解质稀溶液，ΔTb=iKbbB；ΔTf=iKfbB；Π=icBRT=ibBRT.三、渗透压在医学上的意义1.渗透浓度由于溶液渗透压的大小仅与溶液中不能透过半透膜的粒子（分子、离子）的总浓度有关，而与粒子的本性无关。我们把溶液中能产生渗透效应的粒子统称为渗透活性物质，临床上常采用渗透浓度来衡量溶液渗透压的大小，定义为溶液中具有渗透活性物质的总浓度，用符号cos表示，其常用单位为mmol·L-1或mol·L-1。例1临床补液常需用50.0g·L-1葡萄糖(C6H12O6)溶液和9.00g·L-1NaCl溶液（生理盐水）。计算它们的渗透浓度（mmol·L-1）解：C6H12O6的摩尔质量为180g·mol-1，则C6H12O6溶液的渗透浓度为：NaCl的摩尔质量为58.5g·mol-1，因为NaCl在溶液中以Na+和Cl-形式存在，因此生理盐水的渗透浓度为：2．等渗、高渗和低渗溶液渗透压相等的两种溶液称为等渗溶液（isotonicsolution）。对于渗透压不相等的两种溶液，通常将渗透压相对较高的溶液称做高渗溶液(hypertonicsolution)，把渗透压相对较低的溶液称为低渗溶液(hypotonicsolution)。临床上，溶液的等渗、高渗或低渗是以人体血浆的总渗透压为参考标准的。正常人血浆的总渗透浓度为303.7mmol·L-1。人体血浆渗透浓度的正常范围为280～320mmol·L-1。因此，通常认为渗透浓度在280～320mmol·L-1范围内的溶液为等渗溶液，渗透浓度高于320mmol·L-1的为高渗溶液，低于280mmol·L-1的为低渗溶液。实际应用时，略低于下限（或略高于上限）的溶液也看作等渗溶液。所以，临床上将9.0g·L-1生理盐水、50.0g·L-1的葡萄糖溶液（渗透浓度为278mmol·L-1）均视为等渗溶液。将红细胞放到9.0g·L-1NaCl溶液（生理盐水）中，在显微镜下可以观察到红细胞维持原状（见图2-6a），说明红细胞内液和生理盐水等渗。若将红细胞放到15g·L-1NaCl溶液中，在显微镜下可以观察到红细胞逐渐皱缩，皱缩的红细胞互相聚结成团。产生这种现象的原因是细胞内液的渗透压低于细胞外液，红细胞内的水向外渗透引起的。若此现象发生于血管内，将产生“栓塞”。如果把红细胞放在4.0g·L-1NaCl溶液中，在显微镜下可以看到红细胞逐渐膨胀，直至最后细胞破裂，血红蛋白释放到膜外溶液中，由不透明的红细胞悬液变为红色透明