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用半透膜把兩種不同濃度的溶液隔開時發生滲透現象,到達平衡時半透膜兩側溶液產生的位能差。

滲透壓

1定義

將溶液和水置於U型管中,在U型管中間安置一個半透膜,以隔開水和溶液,可以見到水通過半透膜往溶液一端跑,假設在溶液端施加壓強,而此壓強可剛好阻止水的滲透,則稱此壓強為滲透壓,滲透壓的大小和溶液的重量摩爾濃度、溶液溫度和溶質解離度相關,因此有時若得知滲透壓的大小和其他條件,可以反推出溶質分子的分子量。

2定性理解

溶液濃度越大,滲透壓越大
滲透壓:在半透膜將純液體與含有溶質的液體分開情況下,純液體的化學勢高於含有溶質的溶液的化學勢,而物質移動規律是從化學勢高移動到化學勢低的,因此溶劑分子經半透膜移向另外一邊的溶液。如果在溶液的上方施加一個壓力,其大小恰好是兩邊液體保持平衡,這個壓力產生的壓強數值就是該溶液在該濃度下的滲透壓(osmotic pressure),用符號π表示,單位:atm。
π的大小可用滲透計測定,或用滲透平衡時高出水面的溶液對下部產生的靜水壓力表示(h×s × 比重=體積× 比重)。也可用Vant Hoff提出的公式計算:
1886年范特霍夫(J.H.van』t Hoff)根據實驗數據得出一條規律:對稀溶液來說,滲透壓與溶液的濃度和溫度成正比,它的比例常數就是氣體狀態方程式中的常數R。這條規律稱為范特荷甫定律。用方程式表示如下:
式中π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,n為溶質的物質的量,T為絕對溫度。
上式稱為范特荷甫公式,也叫滲透壓公式。常數R的數值與π和V的單位有關,當π的單位為kPa,V的單位為升(L)時,R值為8.31kPa·L·K-1·mol-1。
范特荷甫公式表示,在一定溫度下,溶液的滲透壓與單位體積溶液中所含溶質的粒子數(分子數或離子數)成正比,而與溶質的本性無關。
②滲透壓 osmotic pressure
隔以半透膜,一方為溶媒的水,另一方為溶液,水通過半透膜向溶液一方滲透。為阻止水的移動在溶液側所加的壓力稱為滲透壓。水的運動之所以停止,是該壓力與通過膜的水的化學勢能相等所致。重量克分子濃度Cs的溶液滲透壓П,近似於П=CsRT(R:氣體常數,T:絕對溫度)。如用容積克分子濃度,能得到比理論值更大的實測值。液胞很發達的植物細胞,與細胞體積V之間存在著ПV=定值的關係;但在動物等細胞質多的細胞,從V中減去滲透不活性部分(非水相)的細胞容積時,上式也成立。在植物細胞,細胞質和細胞液保持滲透壓平衡。細胞液的滲透壓限定細胞質的含水量,而影響細胞質粘性等物理化學性質。此外滲透壓還能使之產生膨脹壓以調節細胞的生長和膨脹運動。細胞具有調節滲透壓的作用,此稱滲透壓調節(osmoregulation)。就如動物體液那樣,浸漬組織的內環境的滲透壓,也具有很大的生理影響。滲透壓可以用氣壓、冰點下降度(△)或者滲透克分子濃度等來表示。

3溶液滲透壓

依數性質
由於平衡滲透壓遵循理想氣體定律(稀溶液中忽略溶質分子的相互作用),這個數學推導過程在這裡省略,最後可以得出范特霍夫關係:π=cRT(或π=kTN/V;N/V為分子數密度),從公式可知溶液的滲透壓只由溶質的分子數決定,因而滲透壓也是溶液的依數性質。這個關係給出的不是真正的壓強,而是阻止滲透流可能需要的壓強,即系統達到平衡所需要的壓強差。

4細胞相關

植物細胞以滲透吸水為主,其動力就是滲透壓。那麼滲透壓對細胞的世界究竟有多大意義呢?我們還必須拿具體的數據來說明,假設細胞半徑為R,由於滲透壓膨脹變為R+dR,這樣面積的增加為dA=8πRdR,其能量消耗為Σ×dA。如要讓細胞膨脹達到平衡,就是讓自由能pdV 等於表面張力,通過計算可以得到拉普拉斯公式:Σ=Rp/2。如果紅細胞在純水中,阻止水進入細胞的壓強為300pa,假設細胞直徑10μm,對細胞來說有多大呢?代入估算的p 得到Σ=10-5m×300pa/2=1.5×10-3Nm-1。這個力足夠撕開真核細胞,將細胞摧毀。所以你不能用純水來稀釋紅細胞,這樣他們會爆裂,即溶胞。

5疏水作用

排空效應是疏水作用(疏水力實質是熵和自由能的混合效應)的理想情況,而滲透壓是使大分子產生這種排空力的原因。滲透壓可以看成單位體積內的自由能變化。排空效應是小顆粒能把大顆粒推到一起,以使小顆粒自身的熵最大,如果兩個表面精確匹配,則相應的單位接觸面積上的自由能減少為ΔF/A=ckBT×2R,R 為小顆粒半徑(這裡的c不是濃度是分子數密度)。
小顆粒能夠有效的幫助大分子找到彼此特異性識別位點,在生物學實驗中,常用血清蛋白(BSA)和聚乙二醇(PEG)充當小顆粒它們稱為阻塞試劑。比如他們可以幫助脫氧血紅蛋白和其他大蛋白粘在一起,溶解性降低10 倍;葡聚糖或PEG 能穩定複合物不受熱分解,可以使DNA 熔解溫度增加若干;PEG 和BSA 還能使機動蛋白絲自組裝速率或不同酶的活性增加幾個數量級;在大腸桿菌DNA 複製系統中如果不加入阻塞試劑就不能工作。選擇何種阻塞試劑並不重要,關鍵是他相對組裝分子的尺度及數密度。這是無序狀態過程中同時
驅動的有序組裝,這個的有序是以更小顆粒更大的無序為代價的。

6相關人物

范霍夫因為滲透壓和化學動力學等方面的研究獲得第一屆諾貝爾化學獎。
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