溶液的渗透压

我们可以知道，麦粒在水中泡的时间过长就会出现浮肿，这是什么原因呢？造成麦粒体积增大的原因是水分子的热运动，也就是说，水分子通过热运动进入了麦粒的内部，但如果麦粒的表皮没有孔隙的话，水分子也就不能进入麦粒体内。

这里，麦粒的表皮是一种半透性的生物膜，这种膜的特性是它只允许水分子通过，而禁止溶质分子通过。所以水分子在其热运动的驱使下通过麦粒的表皮，进入麦粒的体内，而麦粒体内的溶质却在表皮过滤下不能被挤出体外，就造成了麦粒体积的增大。其实，不但是种子的表皮具有半透膜的性质，生物细胞的细胞膜及其内部质体的质膜都具有这种性质。所以说，生物体的细胞在淡水中，水分子就可以进入细胞内，这就是生物体吸收水分的过程。因此，生物膜可以使细胞从周围环境中不断地吸收所需要的水分子，而又阻止有害物质的进入。

假如我们用这种半透膜封闭一定量的溶液，再放入淡水中，如下图，我们可以知道，由于淡水的势能要大于溶液的势能，所以半透膜外的水分子就会进入半透膜内的溶液中，去稀释溶液。因为半透膜内的溶质不能通过半透膜进入水中，所以半透膜内的溶液的体积就会变大。这种现象我们称为渗透现象。所谓渗透现象，就是当我们用一种溶液和它的纯溶剂用半透膜隔开时，纯溶剂将通过半透膜扩散到溶液中而将其稀释。现在我们做一个实验，如图，用半透膜把溶液和纯溶剂隔开。因为溶剂分子进入溶液中，溶液的液面就会升高。如果我们继续增加溶液的浓度，溶液的液面就会继续升高。

这说明了什么呢？这说明溶液的渗透能力与溶液的浓度成正比。如果溶液的渗透压的值设为N，溶液物质的摩尔浓度为C,单位是MOL/L.，R为摩尔气体常数,单位是R=8.34KPa*l*mol/l*k,T为热力学温度(K)

则,

N=C*R*T

溶液的渗透压到底有多大呢?现在我们举一个例子,如,

25℃时,0.1MOL/L溶液的渗透压为,

N=C*R*T

=(0.1×8.314×298)K Pa

=248KPa

这个压强有多大呢?我们可以以此压强能举起的水柱的高度来参照.

我们知道,水柱的压强的公式为,

其中ρ为水的密度(1.0KG/M^3),g为引力常数(9.8m/s^2),令P=248 K Pa,则,

也就是说,浓度为0.1 MOL/L的溶液的渗透压相当于25.306米高的水柱的压强.

而一般生物体细胞液的渗透压为近2000KPa,也就是说,这个压强可以举起近200米高的水柱.所以说,地球上的植物的高度不能大于这个数值,否则,顶部细胞将不能从根部吸收到水分.

有资料显示,地球上最高的参天大树的高度约为150米,低于这个数值.因此,有了细胞液的渗透压,地球上的所有植物,不管是低矮的地衣,还是巨大的参天大树,细胞都可以吸收到所需的水分.

如果我们从能量守恒的观点来看待渗透压的问题,就可以找出其中的能量转换的过程.麦粒的体积增大,是因为水分子对种子的表皮做了功.同样,植物的输送器管导管,在向高处输送水分时,要克服地球的引力,即水分子的势能要转化为水的引力势能.水分子的势能来自哪里呢?我们知道,来自水分子的热运动,而地球上的淡水来自海水.我们可以把淡水视为溶剂,把海水视为溶液,如果把它们用半透膜隔开,就会产生渗透压.因为淡水的势能要大于海水的势能,所以淡水才向海水扩散.海水经过太阳的照射,被蒸发到空中,变为云,变为雨, 落到陆地上,就变为淡水了.所以说,淡水的势能比海水高的原因是吸收了太阳的能量.因此,水的渗透压的能量来自太阳.地球上的生命活动的过程就是这种能量的转化的过程.现在有人设想,在河流的入海口处,利用淡水和海水的盐差,即,海水对淡水的渗透压,建立水电站,其实，这也是利用太阳能的一种形式,和利用风能、水能发电没有什么区别。