第二章溶液

1、溶液的滲透壓滲透作用是自然界的一種普遍現(xiàn)象，它對于人體保持正常的生理功能有著十分重要的意義。下面討論滲透作用的基本原理、滲透壓及其在醫(yī)學(xué)上的意義。一、滲透現(xiàn)象和滲透壓在蔗糖濃溶液上小心加入一層清水，水分子即從上層滲入下層，蔗糖分子也由下層涌入上層，直到蔗糖溶液的濃度均勻為止。一種物質(zhì)的粒子自發(fā)地分布于另一種物質(zhì)中的現(xiàn)象稱為擴散。如果將蔗糖水溶液與水用半透膜隔開（圖1-2甲），使膜內(nèi)和膜外液面相平，靜置一段時間后，可以看到膜內(nèi)溶液的液面不斷上升（圖1-2乙），說明水分子不斷地透過半透膜進入溶液中。滲透 (osmosis)的現(xiàn)象是指溶劑分子透過半透膜(semi-permeable membrane

2、)由純?nèi)軇ɑ蜉^稀溶液）一方向溶液（或較濃溶液）一方擴散使溶液變稀的現(xiàn)象。溶劑透過半透膜進入溶液的自發(fā)過程稱為滲透現(xiàn)象。不同濃度的兩種溶液被半透膜隔開時都有滲透現(xiàn)象發(fā)生。滲透性(permeability)是泛指分子或離子透過隔離的膜的性質(zhì)。半透膜是一種只允許某些物質(zhì)透過，而不允許另一些物質(zhì)透過的薄膜。上面實驗中的半透膜只允許水分子透過，而蔗糖分子卻不能透過。細胞膜、膀胱膜、毛細血管壁等生物膜都具有半透膜的性質(zhì)，還有晾干的豬膀胱，腸衣，新鮮的蘿卜皮或各種植物果實的外皮等。人工制造的火棉膠膜、玻璃紙等也具有半透膜的性質(zhì)。上述滲透現(xiàn)象產(chǎn)生的原因是蔗糖分子不能透過半透膜，而水分子卻可以自由通過半透膜。

3、由于膜兩側(cè)單位體積內(nèi)水分子數(shù)目不等，水分子在單位時間內(nèi)從純水（或稀溶液）進入蔗糖溶液的數(shù)目，要比蔗糖溶液中水分子在同一時間內(nèi)進入純水（或稀溶液）的數(shù)目多，因而產(chǎn)生了滲透現(xiàn)象。滲透現(xiàn)象的產(chǎn)生必須具備兩個條件：一是有半透膜存在，二是半透膜兩側(cè)必須是兩種不同濃度的溶液。圖1-2是滲透過程的示意圖，圖中v入表示水分子進入半透膜內(nèi)的速度，v出表示膜內(nèi)水分子透出到膜外的速度。甲表示滲透剛開始，乙表示滲透不斷進行，管內(nèi)液面不斷上升。但是液面的上升不是無止境的，而是達到某一高度時便不再上升（圖1-2丙），此時，v入=v出,滲透達到平衡狀態(tài)即滲透平衡。阻止純?nèi)軇┫蛉芤褐袧B透，在溶液液面上所施加的壓力為該溶液的滲

4、透壓。如果被半透膜隔開的是兩種不同濃度的溶液，這時液柱產(chǎn)生的靜液壓，既不是濃溶液的滲透壓，也不是稀溶液的滲透壓，而是這兩種溶液滲透壓之差。滲透壓的單位用Pa或kPa表示。滲透壓是溶液的一個重要性質(zhì)，凡是溶液都有滲透壓。滲透壓的大小與溶液的濃度和溫度有關(guān)。若用半透膜將純水與水溶液隔開，在溶液的液面上施加一大于該溶液滲透壓力的外壓，溶液中的水分子將透過半透膜向純水滲透。這種滲透逆向進行的過程稱為反向滲透。應(yīng)用反滲透原理，可以進行海水淡化或用于廢水處理。二、滲透壓與濃度、溫度的關(guān)系1886年范霍夫（vant Hoff）根據(jù)實驗數(shù)據(jù)得出一條規(guī)律：對稀溶液來說，滲透壓與溶液的濃度和溫度成正比，它的比例常

5、數(shù)就是氣體狀態(tài)方程式中的常數(shù)R。這條規(guī)律稱為范霍夫定律。（范霍夫獲得1901年諾貝爾化學(xué)獎）用方程式表示如下：V=nRT或=cRT（1-5）式中為稀溶液的滲透壓，V為溶液的體積，c為溶液的濃度，R為氣體常數(shù)，n為溶質(zhì)的物質(zhì)的量，T為絕對溫度。范霍夫公式表示，在一定溫度下，溶液的滲透壓與單位體積溶液中所含溶質(zhì)的粒子數(shù)（分子數(shù)或離子數(shù)）成正比，而與溶質(zhì)的本性無關(guān)。對于稀溶液，c近似于質(zhì)量摩爾濃度，因此上式又可寫成mBRT通過測定溶液的滲透壓，可以計算溶質(zhì)的相對分子質(zhì)量。如果溶質(zhì)的質(zhì)量為m，摩爾質(zhì)量為M。實驗測得溶液的滲透壓為，則該溶質(zhì)的相對分子質(zhì)量（數(shù)值等于摩爾質(zhì)量）可通過下式求得：式(1-6)主

6、要用于測定高分子（蛋白質(zhì)等）的相對分子質(zhì)量。對于相同cB的非電解質(zhì)溶液，在一定溫度下，因為單位體積溶液中所含溶質(zhì)的粒子（分子）數(shù)目相等，所以滲透壓是相同的。如0.3mol/L葡萄糖溶液與0.3mol/L蔗糖溶液的滲透壓相同。但是，相同cB的電解質(zhì)溶液和非電解質(zhì)溶液的滲透壓則不相同。例如，0.3mol.L-1NaCl溶液的滲透壓約為0.3mol.L-1葡萄糖溶液滲透壓的2倍。這是由于在NaCl溶液中，每個NaCl粒子可以離解成1個Na+和1個Cl。而葡萄糖溶液是非電解質(zhì)溶液，所以0.3mol/LNaCl溶液的滲透壓約為0.3 mol/L葡萄糖溶液的2倍。由此可見，滲透壓公式中，對電解質(zhì)溶液來說，

7、濃度cB（或mB）是1升溶液中能產(chǎn)生滲透效應(yīng)的溶質(zhì)分子與離子總物質(zhì)的量，稱為滲透物質(zhì)的量濃度。溶質(zhì)的滲透濃度溶質(zhì)的分子和離子的物質(zhì)的量之和除以混合物的體積。Cos = n / V式中：n為混合物中B的分子與B解離出的離子的物質(zhì)的量之和；V為混合物的體積。C的SI單位為mol/m3；常用單位為mol/L或mmol/L由定義可知，滲透濃度是指混合物中能產(chǎn)生滲透效應(yīng)的溶質(zhì)的微粒（分子或離子）的濃度總和。對于強電解質(zhì)溶液，滲透濃度等于溶液中溶質(zhì)離子的總濃度；對于弱電解質(zhì)溶液，滲透濃度等于溶液中未解離的弱電解質(zhì)的濃度與弱電解質(zhì)解離出的離子的濃度之和；而對于非電解質(zhì)溶液，滲透濃度等于其物質(zhì)的量濃度。例：生

8、理鹽水的質(zhì)量濃度為9 g/L，計算生理鹽水的滲透濃度。解：NaCl是強電解質(zhì)，在溶液中全部解離： NaCl = Na+ + Cl-生理鹽水的滲透濃度為： Cos(NaCl) = C(Na+) + C(Cl-) = 2C(NaCl) = 2/M(NaCl) =(2x9)/58.5 = 0.308mol/L =308mmol/L = cRT = nRT/V只適用于非電解質(zhì)的稀溶液，對于電解質(zhì)的稀溶液可改寫： = CosRT 滲透壓公式在醫(yī)療工作中有其現(xiàn)實意義。人體血液的滲透壓在正常體溫（37）時約為769.9kPa。要配制與血液滲透壓相等的溶液，即可由滲透壓公式計算出溶液的濃度。三、滲透壓力在醫(yī)學(xué)

9、上的意義1、等滲溶液、低滲溶液和高滲溶液在相同溫度下，滲透壓力或滲透濃度相等的溶液稱為等滲溶液(isotonic solution)滲透壓力或滲透濃度較低的溶液稱為低滲溶液，滲透壓力或滲透濃度較高的溶液稱為高滲溶液。醫(yī)學(xué)上的等滲溶液、低滲溶液和高滲溶液是以血漿的滲透壓力或滲透濃度為標(biāo)準(zhǔn)來衡量的，正常人血漿的滲透濃度為280-320mmol/L（滲透壓為700-800Pa）。以正常人血漿的滲透濃度為比較標(biāo)準(zhǔn)，醫(yī)學(xué)上規(guī)定滲透濃度在280-320mmol/L范圍內(nèi)的溶液為等滲溶液；小于280的溶液為低滲溶液，大于320的為高滲溶液。臨床上為病人輸液時，通常使用等滲溶液。若輸液時大量使用高滲溶液，由于

10、發(fā)生滲透用，可使用細胞變形或破壞，使其喪失正常的生理功能。這可通過紅細胞在不同濃度NaCl溶液中形狀變化為例加以說明。（圖）將紅細胞置于滲透濃度為280-320mmol/L的等滲NaCl溶液中，在顯微鏡下觀察，紅細胞的形態(tài)沒有發(fā)生變化（圖）。這是由于等滲氯化鈉溶液與紅細胞內(nèi)液的滲透壓力相等，細胞內(nèi)外處于滲透平衡狀態(tài)。將紅細胞置于滲透濃度低于280mmol/L的低滲NaCl溶液中，在顯微鏡下觀察，紅細胞逐漸脹大，最后破裂（圖），釋出血紅蛋白使溶液呈淺紅色，這種現(xiàn)象醫(yī)學(xué)上稱為溶血。這是因為低滲NaCl溶液的滲透壓力小于紅細胞內(nèi)液的滲透壓力，NaCl溶液中的水分子透過細胞內(nèi)，而使紅細胞脹破。將紅細胞

11、置于滲透濃度高于320mmol/L的高滲NaCl溶液中，在顯微鏡下觀察，紅細胞逐漸皺縮，最后破裂（圖），這種現(xiàn)象醫(yī)學(xué)上稱為質(zhì)壁分離。這是因為紅細胞內(nèi)液的滲透壓力低于高滲NaCl溶液的滲透壓力，紅細胞內(nèi)液中的水分子透過細胞膜進入NaCl溶液，而使紅細胞皺縮。例：用實驗方法測得某腎上腺皮質(zhì)機能不全病人的血漿的冰點為-0.48，問此病人的血漿為等滲溶液、低滲溶液或高滲溶液？計算此病人血漿在37時的滲透壓力。醫(yī)學(xué)臨床使用小劑量注射液時，也要考慮注射的滲透壓力。在常用注射液中，等滲溶液較少，而高滲溶液較多，如滲透濃度為血漿10倍的2.78mol/L葡萄糖溶液。當(dāng)然，使用等滲注射液是最理想的，然而若將高滲

12、溶液稀釋成等滲溶液時，體積必然增大，使用時反而不方便。在使用高滲溶液注射時，注射量不能太大，且注射速率也不能太快，當(dāng)高滲溶液緩慢注入人體內(nèi)時，即可被體液稀釋成等滲溶液（因為體液的體積比注射的高滲溶液體積大得多）。高滲溶液雖可引起紅細胞或組織細胞皺縮，但若將這些細胞立即浸入等滲溶液中，細胞又能恢復(fù)正常形態(tài)，不會影響細胞的正常生理功能。高滲溶液用于肌肉注射時，由于滲透壓力較高常引起疼痛。低滲注射液應(yīng)添加到其他無顯著生理作用的等滲注射液（如生理鹽水或50g/L葡萄糖溶液中再注射。因為低滲注射液可引起紅細胞或組織細胞破裂，造成不能恢復(fù)的損害。2、晶體滲透壓力和膠體滲透壓力 血漿中含有低分子的晶體物質(zhì)（

13、如氯化鈉、葡萄糖和碳酸氫鈉等）和高分子的膠體物質(zhì)（如蛋白質(zhì)）。血漿中的滲透壓是這兩類物質(zhì)所產(chǎn)生滲透壓的總和。其中由低分子晶體物質(zhì)產(chǎn)生的滲透壓叫做晶體滲透壓；由高分子膠體物質(zhì)產(chǎn)生的滲透壓叫做膠體滲透壓。血漿中低分子晶體物質(zhì)的含量約為0.7%,高分子膠體物質(zhì)的含量約為7%.雖然高分子膠體物質(zhì)的百分含量高,它們的相對分子質(zhì)量卻很大,因此,它們的粒子數(shù)很少.低分子晶體物質(zhì)在血漿中含量雖然很低,但由于相對分子質(zhì)量很小,多數(shù)又可離解成離子,因此粒子數(shù)較多.所以,血漿總滲透壓絕大部分是由低分子的晶體物質(zhì)產(chǎn)生的.在37時,血漿總滲透壓約為769.9kPa,其中膠體滲透壓僅為2.94.0kPa.人體內(nèi)半透膜的通

14、透性不同，晶體滲透壓和膠體滲透壓在維持體內(nèi)水鹽平衡功能上也不相同。膠體滲透壓雖然很小，但在體內(nèi)起著重要的調(diào)節(jié)作用。細胞膜是體內(nèi)的一種半透膜，它將細胞內(nèi)和細胞外液隔開，并只讓水分子自由透過膜內(nèi)外，而K+、Na+則不易自由通過。因此，水在細胞內(nèi)外的流通，就要受到鹽所產(chǎn)生的晶體滲透壓的影響。晶體滲透壓對維持細胞內(nèi)外水分的相對平衡起著重要作用。臨床上常用晶體物質(zhì)的溶液來糾正某些疾病所引起的水鹽失調(diào)。例如，人體由于某種原因而缺水時，細胞外液中鹽的濃度將相對升高，晶體滲透壓增大，于是使細胞內(nèi)液的水分通過細胞膜向細胞外液滲透，造成細胞內(nèi)液失水。如果大量飲水或者輸入過多的葡萄糖溶液，則使細胞外液鹽濃度降低，晶體滲透壓減小，細胞外液中的水分向細胞內(nèi)液中滲透，嚴重時可產(chǎn)生水中毒。高溫作業(yè)之所以飲用鹽汽水，就是為了保持細胞外液晶體滲透壓的恒定。毛細血管壁也是體內(nèi)的一種半透膜，它與細胞膜不同，它間隔著血漿和組織間液，可以讓低分子如水、葡萄糖、尿素、氫基酸及各種離子自由透過，而不允許高分子蛋白質(zhì)通過。所以，晶體滲透壓對維持血液與組織間液之間的水鹽平衡不起作用。如果由于某種原因造成血漿中