对渗透现象的物理解释VIP专享VIP免费

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（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。Π渗透现象在自然界中起着极为重要的作用。生生命体从外界吸收水分、以及机体内细胞之间水分的运输，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年法国物体内的细胞膜就是一种天然的半透膜，物理学家诺勒观察到渗透现象算起书上认为，由于半透膜两边溶剂的浓度不相同，以致单位时间，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，由于存在于半透膜两边，可以自由穿行，因此不产生压力作用。[1]”也许是由于人们不明白“为什么在平常我们感觉不到溶质的压力”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纯溶剂溶液半透膜图1渗透平衡示意图。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多，从而导致了渗透现象的发生[2]。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低造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质分子像布朗粒子一样，也在作无规则的热运动，每个分子的平均平动动能为成的[3]。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[4]”。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，渗透现象根据分子运动论理论，溶液中的溶kT23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...