渗透压 渗透压是物理化学中一个核心概念，它与溶液中溶质的存在直接相关，是理解生物膜传输、工业分离过程以及溶液依数性的关键。 基础定义与现象 渗透 ：指溶剂分子（如水）通过半透膜，从纯溶剂区域或稀溶液区域向浓溶液区域净迁移的现象。半透膜是一种只允许溶剂小分子通过，而阻止溶质大分子或离子通过的薄膜。 渗透压 ：为了阻止渗透现象发生，需要在溶液一侧施加的最小额外压强。换言之，它等于使渗透过程达到动态平衡时，浓溶液与稀溶液之间的静压差。 微观机制与定性解释 从分子运动角度看，在半透膜两侧，溶剂分子均可以自由通过膜。但在溶液一侧，部分表面被溶质分子占据，导致单位时间内从溶液侧撞击并穿过膜的溶剂分子数，少于从纯溶剂侧穿过膜的溶剂分子数。这种不对称的撞击频率造成了溶剂向溶液的净流动。 施加于溶液上的外部压力，本质上提高了溶液侧溶剂分子的化学势，迫使其穿过膜返回纯溶剂侧的速率增加。当这个速率与纯溶剂侧过来的速率相等时，宏观净流动停止，系统达到渗透平衡。 定量描述：范特霍夫定律 对于稀溶液，渗透压（Π）与溶质的浓度和温度满足一个与理想气体状态方程形式相似的定量关系，即范特霍夫定律： Π = c_ B RT 。 式中： Π ：渗透压，单位通常为帕（Pa）或大气压（atm）。 c_ B ：溶质的体积摩尔浓度（mol/m³ 或 mol/L）。使用后者时需注意单位一致性。 R ：理想气体常数。 T ：热力学温度（K）。 该定律揭示了渗透压是一种“依数性”，即其数值仅取决于溶液中溶质颗粒（分子或离子）的数量浓度，而与溶质的化学性质无关。 对非理想性与电离的修正 对于实际溶液（非理想溶液），需用溶质的活度代替浓度。更常用的是引入渗透系数（φ）进行修正： Π = φ c_ B RT 。φ 反映了溶质-溶剂相互作用的非理想程度。 对于能电离的电解质（如 NaCl），每个分子会解离成多个离子。为计入粒子数增加的影响，需引入范特霍夫因子（i）： Π = i c_ B RT 。其中 i 是溶质分子实际解离产生的粒子数与假设其不解离时的粒子数之比。 核心应用领域 生物学 ：细胞膜是选择性半透膜。细胞内外渗透压的平衡对维持细胞形态和功能至关重要。在高渗环境中，细胞失水皱缩；在低渗环境中，细胞吸水膨胀甚至破裂。 分离技术 ：反向渗透是利用施加高于渗透压的外压，迫使溶剂从浓溶液反向穿过膜流向稀溶液，是实现海水淡化和水净化的关键技术。 化学分析 ：通过测量高分子溶液（如蛋白质、聚合物）的渗透压，可以计算溶质的数均分子量（M_ n）： Π / c = (RT / M_ n) + A_ 2 c + ... ，其中 A_ 2 为第二维里系数，反映高分子链段间的相互作用。 与其他依数性的关联 渗透压与之前讨论过的 蒸气压下降 （拉乌尔定律）、 沸点升高 、 凝固点下降 同属溶液的依数性。它们都源于溶质的加入降低了溶剂的化学势。渗透压是其中最灵敏、测量范围最广的一种，尤其适用于测定高分子物质的分子量。