对渗透现象的物理解释

《对渗透现象的物理解释》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、http://www.paper.edu.cn对渗透现象的物理解释刘文斌（国防科技大学一院一队长沙410073）E-mail：liuwb1985@yahoo.com.cn摘要：溶液就像一个具有良好流动性的液体气球，而溶液的压力是其中热运动的溶质分子产生的压力与连通的溶剂压力的叠加。由于溶质承担了一部分的压力，溶液中的溶剂的压力总是比溶液的宏观压力低。溶液的渗透现象、蒸气压下降、冰点下降正是由于溶液中溶剂的压力比溶液本身的压力低而造成的。关键词：渗透现象，解释，物理本质，负压力渗透现象指纯溶剂和溶液被只允许溶剂分子通过而不允许溶

2、质分子通过的半透膜隔开时，纯溶剂会通过半透膜，自发地向溶液转移，使溶液体积增大的现象。欲阻止渗透现象，让渗透达到平衡，就需要给溶液增加一定的压力，这个增加的压力就是溶液的渗透压Π（图1）。如果给溶液增加的压力大于溶液的渗透压，溶剂则会向相反的方向转移，这个过程称为反渗透，也是目前海水淡化工程中广泛采用的一种方法。当然，具有不同渗透压的溶液被半透膜隔开时，渗透现象也会发生，其方向总是由渗透压小的溶液向渗透压大的溶液。渗透现象在自然界中起着极为重要的作用。生物体内的细胞膜就是一种天然的半透膜，生命体从外界吸收水分、以及机体内细胞之

3、间水分的运输，主要通过渗透现象来完成。比如，我们切一块鲜萝卜并将其放入浓盐水中，会发现它半透膜会逐渐变蔫，这是由于萝卜汁液的渗透压小于浓盐水的渗透压，导致萝卜内的水分渗透到盐水中，使萝卜失水变蔫。如果再将其放置于清水中，发现它又会逐渐吸水变硬，这也是渗透现象在起作用。医院输液用的生理盐水，要求其渗透压和血纯溶剂溶液液的渗透压大致相等，否则会导致血细胞缩水或膨胀而丧失生理功能。自1748年法国物理学家诺勒观察到渗透现象图1渗透平衡示意图。算起，渗透现象已经被发现两百多年了。但是渗透现象的物理本质是什么？这一问题曾吸引了不少科学家

4、去探索，其中最有影响的是1885年荷兰化学家范特霍夫（第一位诺贝尔化学奖得主）所做的贡献。他发现，稀溶液的渗透压居然等于溶质在相同温度下转化为理想气体并占有溶液体积时产生的气压，即溶液的渗透压可以用理想气体状态方程来计算。因此他认为：“气体产生气压和溶液产生渗透压的实质机理是相同的，不仅是形式上的相似而已。在气体场合，气压是由气体分子冲击容器壁产生的；在溶液情况下，由于溶质分子冲击半透膜而产生渗透压。至于溶剂分子，由于存在于半透膜[1]两边，可以自由穿行，因此不产生压力作用。”也许是由于人们不明白“为什么在平常我们感觉不到溶质

5、的压力”这个问题，他的观点在今天被认为是机械的。而目前大多数基础化学教科书上认为，由于半透膜两边溶剂的浓度不相同，以致单位时间内由纯溶剂扩散进入溶液的溶剂分子数目，要比从溶液扩散进入纯溶剂的溶剂分子数[2]多，从而导致了渗透现象的发生。根据菲克扩散定律，引起扩散的原因是物质的密度差。如果有一稀的糖水溶液，其渗透压大于一浓蛋白溶液的渗透压，当两者用半透膜隔开时，水-1-http://www.paper.edu.cn会由蛋白溶液向糖水溶液渗透，难道是稀糖水溶液中水的密度比浓蛋白溶液中水的密度小？如果是，这个密度以什么标准、用什么单

6、位来衡量？我们又如何解释渗透压大小只与溶质分子的数目有关而与其大小无关这个问题？物理化学教科书中的观点是：渗透现象是由于溶液中溶剂的化学势比纯溶剂的化学势[3]低造成的。但从微观结构看，溶剂究竟是怎样渗透过去的？造成溶液与纯溶剂化学势差的根本原因又是什么？在上世纪80年代末，由美国物理学评述委员会组织的等离子体和流体[4]物理学专门小组曾这样描述：“迄今还没有一个可以接受的理论能解释渗透的微观结构”。因此，他们将渗透现象的微观结构列为20世纪90年代的物理学重要课题之一。但直到现在，仍没有什么实质性的进展。但是作者发现，渗透现

7、象其实可以用基本的热学和力学原理来解释。1对渗透现象本质的解释根据分子运动论理论，溶液中的溶质分子像布朗粒子一样，也在作无规则的热运动，每3个分子的平均平动动能为kT。我们知道，热运动的气体分子会产生气压，同样热运动的2溶质分子也会对溶液内表面产生一个压力。换句话说，溶液就像一个气球，装有“溶质气体”，只不过溶液良好的流动性使它不会像气球一样凸起来。气球中气体的压力是朝外的，规定为正压力；而被撑开的气球又是趋于收缩的，规定其压力为负值。根据压力平衡，气球外部的气压就等于气球内部气体的正压力加上气球收负压力的溶剂缩的负压力。同样

8、，溶液的宏观压力也应该是连通的溶剂压力与热运动溶质分子产生压力的热运动的叠加，即：P溶液=P溶质+P溶剂溶质分子当溶质的压力小于外界大气压时，溶质承图2溶液的压力是热运动溶质分子的压力与担一部分压力，溶剂承担另一部分压力，此时，溶剂压力的叠加。当溶质压力大于溶液的压力溶液中溶