對滲透現(xiàn)象的物理解釋

對滲透現(xiàn)象的物理解釋劉文斌（國防科技大學(xué)一院一隊長沙410073）E-mail：liuwb1985@摘要：溶液就像一個具有良好流動性的液體氣球，而溶液的壓力是其中熱運動的溶質(zhì)分子產(chǎn)生的壓力與連通的溶劑壓力的疊加。由于溶質(zhì)承擔(dān)了一部分的壓力，溶液中的溶劑的壓力總是比溶液的宏觀壓力低。溶液的滲透現(xiàn)象、蒸氣壓下降、冰點下降正是由于溶液中溶劑的壓力比溶液本身的壓力低而造成的。關(guān)鍵詞：滲透現(xiàn)象，解釋，物理本質(zhì)，負(fù)壓力滲透現(xiàn)象指純?nèi)軇┖腿芤罕恢辉试S溶劑分子通過而不允許溶質(zhì)分子通過的半透膜隔開時，純?nèi)軇ㄟ^半透膜，自發(fā)地向溶液轉(zhuǎn)移，使溶液體積增大的現(xiàn)象。欲阻止?jié)B透現(xiàn)象，Π讓滲透達(dá)到平衡，就需要給溶液增加一定的壓力，這個增加的壓力就是溶液的滲透壓（圖1反滲透，也是目前海水淡化工程中廣泛采用的一種方法。當(dāng)然，具有不同滲透壓的溶液被半透膜隔開時，滲透現(xiàn)象也會發(fā)生，其方向總是由滲透壓小的溶液向滲透壓大的溶液。滲透現(xiàn)象在自然界中起著極為重要的作用。生物體內(nèi)的細(xì)胞膜就是一種天然的半透膜，生命體從外界吸收水分、以及機(jī)體內(nèi)細(xì)胞之間水分的運輸，主要通過滲透現(xiàn)象來完成。比如，我們切一塊鮮蘿卜并將其放入濃鹽水中，會發(fā)現(xiàn)它會逐漸變蔫，這是由于蘿卜汁液的滲透壓小于濃鹽水的滲透壓，導(dǎo)致蘿卜內(nèi)的水分滲透到鹽水中，使蘿卜失水變蔫。如果再將其放置于清水中，發(fā)現(xiàn)它又會逐漸吸水變硬，這也是滲透現(xiàn)象在起作用。醫(yī)院輸液用的生理鹽水，要求其滲透壓和血液的滲透壓大致相等，否則會導(dǎo)致血細(xì)胞縮水或膨脹而喪失生理功能。自1748年法國物理學(xué)家諾勒觀察到滲透現(xiàn)象算起，滲透現(xiàn)象已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)兩百多年了。但是滲圖1透現(xiàn)象的物理本質(zhì)是什么？這一問題曾吸引了不少科學(xué)家去探索，其中最有影響的是1885年荷蘭化學(xué)家范特霍夫（第一位諾貝爾化學(xué)獎得主）所做的貢獻(xiàn)。他發(fā)現(xiàn)，稀溶液的滲透壓居然等于溶質(zhì)在相同溫度下轉(zhuǎn)化為理想氣體并占有溶液體積時產(chǎn)生的氣壓，即溶液的滲透壓可以用理想氣體狀態(tài)方程來計算。因此他認(rèn)為：“氣體產(chǎn)生氣壓和溶液產(chǎn)生滲透壓的實質(zhì)機(jī)在溶液情況下，由于溶質(zhì)分子沖擊半透膜而產(chǎn)生滲透壓。至于溶劑分子，由于存在于半透膜兩邊，可以自由穿行，因此不產(chǎn)生壓力作用。[1]”也許是由于人們不明白“為什么在平常我們感覺不到溶質(zhì)的壓力”這個問題，他的觀點在今天被認(rèn)為是機(jī)械的。而目前大多數(shù)基礎(chǔ)化學(xué)教科書上認(rèn)為，由于半透膜兩邊溶劑的濃度不相同，以致單位時間內(nèi)由純?nèi)軇U(kuò)散進(jìn)入溶液的溶劑分子數(shù)目，要比從溶液擴(kuò)散進(jìn)入純?nèi)軇┑娜軇┓肿訑?shù)多，從而導(dǎo)致了滲透現(xiàn)象的發(fā)生[2]。根據(jù)菲克擴(kuò)散定律，引起擴(kuò)散的原因是物質(zhì)的密度差。如果有一稀的糖水溶液，其滲透壓大于一濃蛋白溶液的滲透壓，當(dāng)兩者用半透膜隔開時，水-1-會由蛋白溶液向糖水溶液滲透，難道是稀糖水溶液中水的密度比濃蛋白溶液中水的密度??？如果是，這個密度以什么標(biāo)準(zhǔn)、用什么單位來衡量？我們又如何解釋滲透壓大小只與溶質(zhì)分子的數(shù)目有關(guān)而與其大小無關(guān)這個問題？物理化學(xué)教科書中的觀點是：滲透現(xiàn)象是由于溶液中溶劑的化學(xué)勢比純?nèi)軇┑幕瘜W(xué)勢低造成的[3]。但從微觀結(jié)構(gòu)看，溶劑究竟是怎樣滲透過去的？造成溶液與純?nèi)軇┗瘜W(xué)勢差的根本原因又是什么？在上世紀(jì)80年代末，由美國物理學(xué)評述委員會組織的等離子體和流體物理學(xué)專門小組曾這樣描述：“迄今還沒有一個可以接受的理論能解釋滲透的微觀結(jié)構(gòu)[4]20世紀(jì)90仍沒有什么實質(zhì)性的進(jìn)展。但是作者發(fā)現(xiàn)，滲透現(xiàn)象其實可以用基本的熱學(xué)和力學(xué)原理來解釋。1對滲透現(xiàn)象本質(zhì)的解釋根據(jù)分子運動論理論，溶液中的溶質(zhì)分子像布朗粒子一樣，也在作無規(guī)則的熱運動，每3個分子的平均平動動能為kT。我們知道，熱運動的氣體分子會產(chǎn)生氣壓，同樣熱運動的2只不過溶液良好的流動性使它不會像氣球一樣凸起來。氣球中氣體的壓力是朝外的，規(guī)定為正壓力；而被撐開的氣球又是趨于收縮的，規(guī)定其壓力為負(fù)值。根據(jù)壓力平衡，氣球外部的氣壓就等于氣球內(nèi)部氣體的正壓力加上氣球收縮的負(fù)壓力。同樣，溶液的宏觀壓力也應(yīng)該是連通的溶劑壓力與熱運動溶質(zhì)分子產(chǎn)生壓力的PPP+疊加，即：=溶液溶質(zhì)溶劑當(dāng)溶質(zhì)的壓力小于外界大氣壓時，溶質(zhì)承擔(dān)一部分壓力，溶劑承擔(dān)另一部分壓力，此時，溶液中溶劑的壓力為正值；當(dāng)溶質(zhì)壓力大于外界大氣壓時，溶液中的溶劑會被溶質(zhì)向外的壓力所拉伸而具有一個徹體的張力，這個徹體的張力被稱為負(fù)壓力，關(guān)于液體負(fù)壓力的知識可以參考相關(guān)文獻(xiàn)[5]。也正是由于溶劑負(fù)壓力的束縛，所以我們感覺不到比大氣壓還要高的溶質(zhì)的壓力。另外，由于表面張力，負(fù)壓力的溶劑可以以凹面形式存在（圖2圖2溶液的壓力是熱運動溶質(zhì)分子的壓力與溶劑壓力的疊加。當(dāng)溶質(zhì)壓力大于溶液的壓力時，溶液中的溶劑呈拉伸狀態(tài)，即具有負(fù)壓力?？紤]到溶液壓力是溶劑壓力與溶質(zhì)壓力之和，溶質(zhì)的壓力又是正值，所以溶液中溶劑的壓力總會比溶液本身的壓力低。溶液中的滲透現(xiàn)象正是由于溶液中溶劑的壓力比純?nèi)軇┑膲毫Φ投斐傻?。?dāng)純?nèi)軇┡c溶液中的溶劑通過半透膜上的毛細(xì)孔連通時，孔中的溶劑會因溶液一側(cè)溶劑的壓力比純?nèi)軇┮粋?cè)的溶劑的壓力低而流向溶液，宏觀上表現(xiàn)為滲透現(xiàn)象（圖3圖3只有當(dāng)溶液中溶劑的壓力與純?nèi)軇┑膲?2-力相等時，滲透現(xiàn)象才會停止，即滲透達(dá)到平衡。此時，溶液的壓力自然要比純?nèi)軇┑膲毫Ω叱鲆粋€溶質(zhì)的壓力值，表現(xiàn)為溶液的滲透壓，所以溶液的滲透壓就等于溶質(zhì)的壓力。當(dāng)給溶液增加的壓力大于溶質(zhì)的壓力時，溶液中溶劑的壓力比純?nèi)軇┑膲毫Υ?，因此，半透膜上毛?xì)孔中的溶劑會流向純?nèi)軇?，宏觀上表現(xiàn)為反滲透現(xiàn)象。至于溶質(zhì)分子為什么不能通過半透膜，學(xué)術(shù)界還存在爭議。有人認(rèn)為是由于溶質(zhì)分子比溶劑分子大，所以溶劑可以通過半透膜上的毛細(xì)孔，而溶質(zhì)分子不能通過；有人認(rèn)為是溶劑分子可以溶于膜而可以通過，溶質(zhì)分子不能溶于膜，所以不能通過；也有人認(rèn)為膜表面會對溶質(zhì)產(chǎn)生排斥作用，因此溶質(zhì)不能透過[6]。不過在滲透現(xiàn)象中，溶劑既然是通過半透膜上的在上面已經(jīng)推導(dǎo)出：溶液的滲透壓就等于溶質(zhì)的壓力。而稀溶液溶質(zhì)的雜亂的布朗熱運動又類似于理想氣體分子雜亂的熱運動，而且溶質(zhì)分子與氣體分子在相同溫度下的平均平動動能相等，因而產(chǎn)生的壓力也相等（當(dāng)然由于溶質(zhì)分子熱運動的平均自由程很短，溶劑的黏性阻力對溶質(zhì)壓力的影響可以忽略）。所以，稀溶液的滲透壓可以用理想氣體狀態(tài)方程來計nΠ==算，即滲透壓：V式中：Π是滲透壓，n是溶質(zhì)的物質(zhì)量，V是溶液的體積，c是溶質(zhì)的物質(zhì)的量濃度，R是理想氣體常數(shù)，T是熱力學(xué)絕對溫度。2討論根據(jù)上面的解釋，滲透現(xiàn)象是由于溶液中的溶劑壓力總比溶液本身的壓力低造成的，這點其實可以通過兩個實驗現(xiàn)象來驗證?，F(xiàn)象1毛細(xì)管中凹面液體的蒸氣壓降低的現(xiàn)象正是由于管中液體壓力小于外界壓力而造成的[7]。同樣，溶液中溶劑的壓力小于外界壓力，所以溶質(zhì)不揮發(fā)溶液的蒸氣壓應(yīng)該比純?nèi)軇┑恼魵鈮旱?。幸好，這一點早在19世紀(jì)初就被人觀察到了[1]。后來，法國化學(xué)家拉烏爾又做了大量實驗，總結(jié)出溶液蒸氣壓降的一個規(guī)律，基礎(chǔ)P化學(xué)中稱之為拉烏爾定律。這個定律現(xiàn)在可以根據(jù)“溶液中的溶劑壓力總比溶液本身的壓力低”[7]推導(dǎo)出來，有興趣者可以自己去推導(dǎo)。現(xiàn)象2由于水溶液中的水的壓力比環(huán)境壓力低，其蒸氣壓比相同環(huán)境下純水的蒸氣壓低。所以當(dāng)溫度從純?nèi)軇┍c開始下降，直到溶液中低壓力的TTT10圖4溶液冰點下降示意圖，P是T溫度下的飽和蒸氣壓，T是純?nèi)軇┑谋c，T是溶液的冰01點。-3-水的蒸氣壓與在外界環(huán)境壓力下純冰的蒸氣壓相等時，溶液中的水才可能會結(jié)冰，因而溶液冰點應(yīng)該會比純水的冰點低（圖41771年，鹽水冰點下降的現(xiàn)象就被英國化學(xué)家華特生所觀察到了[1]。所以，在寒冷的冬天，人們常向汽車水箱中添加一些甘油或乙二醇，以防止水箱中的水結(jié)冰而使水箱脹破。其實這些添加劑是通過降低水的壓力而使水的冰點降低的。根據(jù)熱學(xué)知識：當(dāng)外界壓力每增大0.1MPa時，水的冰點會降低0.00752K[8]。與上面所說：“溶液中溶劑低壓造成其冰點下降”似乎是矛盾的。其實“水的冰點隨環(huán)境壓力增大而降低”指針對水的壓力與環(huán)境壓力相等并一同變化的情況；而溶液中低壓水的壓力總是與環(huán)境壓力有個差值，這個壓力差也會導(dǎo)致冰點下降，而且溶液濃度越大，這個壓差就越大，水的冰點降低值也越大?？梢灶A(yù)言：對于可潤濕情況，毛細(xì)管中的水由于受表面張力的影響，其壓力小于環(huán)境壓力，因而其冰點應(yīng)該會比常壓水的冰點低。3結(jié)論范特霍夫的觀點是正確的，滲透壓的確是溶質(zhì)分子熱運動的壓力。如果當(dāng)時有“溶劑可以以負(fù)壓力形式存在”的觀念，范特霍夫就可以清楚地解釋滲透現(xiàn)象了?，F(xiàn)在，從物理學(xué)的角度來看，滲透現(xiàn)象、溶液的蒸氣壓降、冰點下降是由于溶液中溶劑的壓力比溶液本身的壓力低而造成的，這也正是溶液中溶劑的化學(xué)勢必比純?nèi)軇┗瘜W(xué)勢低的根本原因。和布朗運動一樣，滲透現(xiàn)象其實也應(yīng)該是分子運動論理論的一個絕好的證據(jù)，只不過由于沒有得到及時的物理解釋而被寫進(jìn)了化學(xué)教材。參考文獻(xiàn):趙匡華，化學(xué)通史，北京，高等教育出版社，1990.298~301.李保山，基礎(chǔ)化學(xué)，北京，科學(xué)出版社，2004.42.1999.194.[4]901996.51~53.趙凱華，羅蔚茵，新概念物理教程—力學(xué)，北京，高等教育出版社，2000.229~2301993.61.1999.126.秦允豪，普通物理學(xué)教程—熱學(xué)，北京，高等教育出版社，1999.334.-4-APhysicalExplanationtothePhenomenonofOsmosisLiuWen-bin，College1,NationalUniversityofDefenceTechnology,Changsha410073,China.)Email:liuwb1985@AbstractAsolutionisjustlikealiquidballoon.Thepressureofthesolutionisthesumofthesolventpressureandthepressureofthesoluteparticleswhichhavethermalmotions.Nowthatthesolutepressureisthepartofthesolutionpressure,thepressureofthesolventinthesolutionislowerth