第二章 溶液

溶液的渗透压

渗透作用是自然界的一种普遍现象，它对于人体保持正常的生理功能有着十分重要的意义。下面讨论渗透作用的基本原理、渗透压及其在医学上的意义。

一、渗透现象和渗透压

在蔗糖浓溶液上小心加入一层清水，水分子即从上层渗入下层，蔗糖分子也由下层涌入上层，直到蔗糖溶液的浓度均匀为止。一种物质的粒子自发地分布于另一种物质中的现象称为扩散。

如果将蔗糖水溶液与水用半透膜隔开（图1-2甲），使膜内和膜外液面相平，静置一段时间后，可以看到膜内溶液的液面不断上升（图1-2乙），说明水分子不断地透过半透膜进入溶液中。渗透(osmosis)的现象是指溶剂分子透过半透膜(semi-permeable membrane)由纯溶剂（或较稀溶液）一方向溶液（或较浓溶液）一方扩散使溶液变稀的现象。{溶剂透过半透膜进入溶液的自发过程称为渗透现象。}不同浓度的两种溶液被半透膜隔开时都有渗透现象发生。渗透性(permeability)是泛指分子或离子透过隔离的膜的性质。

半透膜是一种只允许某些物质透过，而不允许另一些物质透过的薄膜。上面实验中的半透膜只允许水分子透过，而蔗糖分子却不能透过。细胞膜、膀胱膜、毛细血管壁等生物膜都具有半透膜的性质，还有晾干的猪膀胱，肠衣，新鲜的萝卜皮或各种植物果实的外皮等。人工制造的火棉胶膜、玻璃纸等也具有半透膜的性质。

上述渗透现象产生的原因是蔗糖分子不能透过半透膜，而水分子却可以自由通过半透膜。由于膜两侧单位体积内水分子数目不等，水分子在单位时间内从纯水（或稀溶液）进入蔗糖溶液的数目，要比蔗糖溶液中水分子在同一时间内进入纯水（或稀溶液）的数目多，因而产生了渗透现象。渗透现象的产生必须具备两个条件：一是有半透膜存在，二是半透膜两侧必须是两种不同浓度的溶液。

图1-2是渗透过程的示意图，图中v入表示水分子进入半透膜内的速度，v出表示膜内水分子透出到膜外的速度。甲表示渗透刚开始，乙表示渗透不断进行，管内液面不断上升。但是液面的上升不是无止境的，而是达到某一高度时便不再上升（图1-2丙），此时，v入=v出,渗透达到平衡状态即渗透平衡。阻止纯溶剂向溶液中渗透，在溶液液面上所施加的压力为该溶液的渗透压。

如果被半透膜隔开的是两种不同浓度的溶液，这时液柱产生的静液压，既不是浓溶液的渗透压，也不是稀溶液的渗透压，而是这两种溶液渗透压之差。

渗透压的单位用Pa或kPa表示。

渗透压是溶液的一个重要性质，凡是溶液都有渗透压。渗透压的大小与溶液的浓度和温度有关。

若用半透膜将纯水与水溶液隔开，在溶液的液面上施加一大于该溶液渗透压力的外压，溶液中的水分子将透过半透膜向纯水渗透。这种渗透逆向进行的过程称为反向渗透。应用反渗透原理，可以进行海水淡化或用于废水处理。

二、渗透压与浓度、温度的关系

1886年范霍夫（van’t Hoff）根据实验数据得出一条规律：对稀溶液来说，渗透压与溶液的浓度和温度成正比，它的比例常数就是气体状态方程式中的常数R。这条规律称为范霍夫定律。（范霍夫获得1901年诺贝尔化学奖）用方程式表示如下：

πV=nRT

或π=cRT（1-5）

式中π为稀溶液的渗透压，V为溶液的体积，c为溶液的浓度，R为气体常数，n 为溶质的物质的量，T为绝对温度。

范霍夫公式表示，在一定温度下，溶液的渗透压与单位体积溶液中所含溶质的粒子数（分子数或离子数）成正比，而与溶质的本性无关。

对于稀溶液，c近似于质量摩尔浓度，因此上式又可写成

π＝m B RT

通过测定溶液的渗透压，可以计算溶质的相对分子质量。如果溶质的质量为m，摩尔质量为M。实验测得溶液的渗透压为π，则该溶质的相对分子质量（数值等于摩尔质量）可通过下式求得：

式(1-6)主要用于测定高分子（蛋白质等）的相对分子质量。

对于相同c B的非电解质溶液，在一定温度下，因为单位体积溶液中所含溶质的粒子（分子）数目相等，所以渗透压是相同的。如0.3mol/L葡萄糖溶液与0.3mol/L蔗糖溶液的渗透压相同。但是，相同c B的电解质溶液和非电解质溶液的渗透压则不相同。例如，0.3mol.L-1NaCl溶液的渗透压约为0.3mol.L-1葡萄糖溶液渗透压的2倍。这是由于在NaCl溶液中，每个NaCl粒子可以离解成1个Na+和1个Cl－。而葡萄糖溶液是非电解质溶液，所以0.3mol/LNaCl溶液的渗透压约为0.3 mol/L葡萄糖溶液的2倍。

由此可见，渗透压公式中，对电解质溶液来说，浓度c B（或m B）是1升溶液中能产生渗透效应的溶质分子与离子总物质的量，称为渗透物质的量浓度。

溶质的渗透浓度

溶质的分子和离子的物质的量之和除以混合物的体积。

C os = n / V

式中：n为混合物中B的分子与B解离出的离子的物质的量之和；V为混合物的体积。C的SI单位为mol/m3；常用单位为mol/L或mmol/L

由定义可知，渗透浓度是指混合物中能产生渗透效应的溶质的微粒（分子或离子）的浓度总和。

对于强电解质溶液，渗透浓度等于溶液中溶质离子的总浓度；对于弱电解质溶液，渗透浓度等于溶液中未解离的弱电解质的浓度与弱电解质解离出的离子的浓度之和；而对于非电解质溶液，渗透浓度等于其物质的量浓度。

例：生理盐水的质量浓度为9 g/L，计算生理盐水的渗透浓度。

解：NaCl是强电解质，在溶液中全部解离：

NaCl = Na+ + Cl-

生理盐水的渗透浓度为：

C os(NaCl) = C(Na+) +C(Cl-) = 2C(NaCl) = 2ρ/M(NaCl)

=(2x9)/58.5 = 0.308mol/L =308mmol/L

π= cRT = nRT/V只适用于非电解质的稀溶液，对于电解质的稀溶液可改写：

π= C os RT

渗透压公式在医疗工作中有其现实意义。人体血液的渗透压在正常体温（37℃）时约为769.9kPa。要配制与血液渗透压相等的溶液，即可由渗透压公式计算出溶液的浓度。

三、渗透压力在医学上的意义

1、等渗溶液、低渗溶液和高渗溶液

在相同温度下，渗透压力或渗透浓度相等的溶液称为等渗溶液(isotonic solution) 渗透压力或渗透浓度较低的溶液称为低渗溶液，渗透压力或渗透浓度较高的溶液称为高渗溶液。

医学上的等渗溶液、低渗溶液和高渗溶液是以血浆的渗透压力或渗透浓度为标准来衡量的，正常人血浆的渗透浓度为280-320mmol/L（渗透压为700-800Pa）。以正常人血浆的渗透浓度为比较标准，医学上规定渗透浓度在280-320mmol/L范围内的溶液为等渗溶液；小于280的溶液为低渗溶液，大于320的为高渗溶液。

临床上为病人输液时，通常使用等渗溶液。若输液时大量使用高渗溶液，由于发生渗透用，可使用细胞变形或破坏，使其丧失正常的生理功能。这可通过红细胞在不同浓度NaCl溶液中形状变化为例加以说明。（图）

将红细胞置于渗透浓度为280-320mmol/L的等渗NaCl溶液中，在显微镜下观察，红细胞的形态没有发生变化（图）。这是由于等渗氯化钠溶液与红细胞内液的渗透压力相等，细胞内外处于渗透平衡状态。

将红细胞置于渗透浓度低于280mmol/L的低渗NaCl溶液中，在显微镜下观察，红细胞逐渐胀大，最后破裂（图），释出血红蛋白使溶液呈浅红色，这种现象医学上称为溶血。这是因为低渗NaCl溶液的渗透压力小于红细胞内液的渗透压力，NaCl溶液中的水分子透过细胞内，而使红细胞胀破。

将红细胞置于渗透浓度高于320mmol/L的高渗NaCl溶液中，在显微镜下观察，红细胞逐渐皱缩，最后破裂（图），这种现象医学上称为质壁分离。这是因为红细胞内液的渗透压力低于高渗NaCl溶液的渗透压力，红细胞内液中的水分子透过细胞膜进入NaCl溶液，而使红细胞皱缩。

例：用实验方法测得某肾上腺皮质机能不全病人的血浆的冰点为-0.48℃，问此病人的血浆为等渗溶液、低渗溶液或高渗溶液？计算此病人血浆在37℃时的渗透压力。

医学临床使用小剂量注射液时，也要考虑注射的渗透压力。在常用注射液中，等渗溶液较少，而高渗溶液较多，如渗透浓度为血浆10倍的2.78mol/L葡萄糖溶液。当然，

使用等渗注射液是最理想的，然而若将高渗溶液稀释成等渗溶液时，体积必然增大，使用时反而不方便。在使用高渗溶液注射时，注射量不能太大，且注射速率也不能太快，当高渗溶液缓慢注入人体内时，即可被体液稀释成等渗溶液（因为体液的体积比注射的高渗溶液体积大得多）。高渗溶液虽可引起红细胞或组织细胞皱缩，但若将这些细胞立即浸入等渗溶液中，细胞又能恢复正常形态，不会影响细胞的正常生理功能。高渗溶液用于肌肉注射时，由于渗透压力较高常引起疼痛。低渗注射液应添加到其他无显著生理作用的等渗注射液（如生理盐水或50g/L葡萄糖溶液中再注射。因为低渗注射液可引起红细胞或组织细胞破裂，造成不能恢复的损害。

2、晶体渗透压力和胶体渗透压力

血浆中含有低分子的晶体物质（如氯化钠、葡萄糖和碳酸氢钠等）和高分子的胶体物质（如蛋白质）。血浆中的渗透压是这两类物质所产生渗透压的总和。其中由低分子晶体物质产生的渗透压叫做晶体渗透压；由高分子胶体物质产生的渗透压叫做胶体渗透压。

血浆中低分子晶体物质的含量约为0.7%,高分子胶体物质的含量约为7%.虽然高分子胶体物质的百分含量高,它们的相对分子质量却很大,因此,它们的粒子数很少.低分子

晶体物质在血浆中含量虽然很低,但由于相对分子质量很小,多数又可离解成离子,因此粒子数较多.所以,血浆总渗透压绝大部分是由低分子的晶体物质产生的.在37℃时,血浆总渗透压约为769.9kPa,其中胶体渗透压仅为2.9～4.0kPa.

人体内半透膜的通透性不同，晶体渗透压和胶体渗透压在维持体内水盐平衡功能上也不相同。胶体渗透压虽然很小，但在体内起着重要的调节作用。

细胞膜是体内的一种半透膜，它将细胞内和细胞外液隔开，并只让水分子自由透过膜内外，而K+、Na+则不易自由通过。因此，水在细胞内外的流通，就要受到盐所产生的晶体渗透压的影响。晶体渗透压对维持细胞内外水分的相对平衡起着重要作用。临床上常用晶体物质的溶液来纠正某些疾病所引起的水盐失调。例如，人体由于某种原因而缺水时，细胞外液中盐的浓度将相对升高，晶体渗透压增大，于是使细胞内液的水分通过细胞膜向细胞外液渗透，造成细胞内液失水。如果大量饮水或者输入过多的葡萄糖溶液，则使细胞外液盐浓度降低，晶体渗透压减小，细胞外液中的水分向细胞内液中渗透，严重时可产生水中毒。高温作业之所以饮用盐汽水，就是为了保持细胞外液晶体渗透压的恒定。

毛细血管壁也是体内的一种半透膜，它与细胞膜不同，它间隔着血浆和组织间液，可以让低分子如水、葡萄糖、尿素、氢基酸及各种离子自由透过，而不允许高分子蛋白质通过。所以，晶体渗透压对维持血液与组织间液之间的水盐平衡不起作用。如果由于某种原因造成血浆中蛋白质减少时，血浆的胶体渗透压就会降低，血浆中的水就通过毛细血管壁进入组织间液，致使血容量降低而组织液增多，这是形成水肿的原因之一。临床上对大面积烧伤，或者由于失血而造成血容量降低的患者进行补液时，除补以生理盐水外，同时还需要输入血浆或右旋糖酐等代血浆，以恢复血浆的胶体渗透压和增加血容量。

例：正常人体温为37℃，血液的渗透压在700~800kPa间，用于人体静脉输液的食盐水浓度为0.9%，葡萄糖为5%，为什么？（注：0.9%、5%指100ml溶液含溶质的克数）