滲透壓

滲透壓是施加到溶液上以防止溶劑經半透膜內流的最低壓強。^[1]在U型管實驗時，當滲透持續進行至兩液面高度不再變動時，此時兩液柱之壓強差稱為滲透壓。滲透壓的大小和溶液的體積摩爾濃度、溶液溫度和溶質離解度相關，因此有時若得知滲透壓的大小和其他條件，可以反推出大分子的分子量。范特荷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。依照范特荷夫定律，稀溶液的滲透壓與溶液的體積摩爾濃度及絕對溫度成正比。

U型管滲透實驗

當含有不同濃度溶質的兩種溶液被半透膜隔開時，就會發生滲透作用。溶劑分子優先通過膜從低溶質濃度溶液到具有較高溶質濃度的溶液。溶劑分子的轉移將持續到達到平衡為止。^[1][2]

潛在滲透壓是如果通過半透膜將溶液與其純溶劑分離，則溶液中可能產生的最大滲透壓。

理論和測量

用於早期測量滲透壓的Pfeffer池

雅各布斯·亨里克斯·范特霍夫發現滲透壓和溶質濃度之間存在定量關係，用以下等式表示：

${\displaystyle \Pi =icRT}$

其中${\displaystyle \Pi }$是滲透壓，i是無量綱范特霍夫因子，c是溶質的摩爾濃度，R是理想氣體常數，T是絕對溫度（通常以開爾文為單位）。該公式適用於溶質濃度足夠低以至於溶液可以被視為理想溶液的情況。與濃度成正比意味着滲透壓是一種依數性質。注意該公式與形式中的理想氣體定律${\textstyle P={\frac {n}{V}}RT=c_{\text{gas}}RT}$的相似性，其中V是體積，n中氣體分子的總摩爾數，n/V是氣體分子的摩爾濃度。

哈蒙·諾斯羅普·莫爾斯和弗雷澤表明，如果濃度單位是體積摩爾濃度而不是質量摩爾濃度時，則該方程適用於更濃的溶液。^[3]故當使用體積摩爾濃度時，這個方程被稱為莫爾斯方程。

對於更濃的溶液，范特霍夫方程可以擴展為溶質濃度c的冪級數。初步近似於：

${\displaystyle \Pi =\Pi _{0}+Ac^{2}}$

其中${\displaystyle \Pi _{0}}$是理想壓力，A是經驗參數。參數A的值（以及來自高階近似值的參數）可用於計算皮策方程。經驗參數用於量化離子和非離子溶質溶液的行為，這些溶液在熱力學意義上不是理想溶液。

應用

紅血球細胞處在不同滲透壓的溶液中

滲透壓測量可用於確定分子量。

滲透壓是影響生物細胞的重要因素。滲透壓調節是生物體達到滲透壓平衡的穩態機制。

• 高滲性溶液會導致細胞收縮。
• 低滲性溶液會導致細胞膨脹。
• 等滲性溶液的存在不會導致細胞體積發生變化。

當生物細胞處於低滲環境中時，細胞內部會積聚水分，水會穿過細胞膜流入細胞，使其膨脹。在植物細胞中，細胞壁會限制膨脹，導致細胞壁從內部產生壓力，稱為膨壓。膨壓使草本植物直立。這也是植物如何調節氣孔孔徑的決定性因素。在動物細胞中，過高的滲透壓會導致細胞溶解。

滲透壓是反滲透過濾的基礎，這是一種常用於水淨化的過程。待淨化的水被放置在一個腔室中，並置於比水和溶解在其中的溶質施加的滲透壓更大的壓力下。腔室的一部分通向一個不同的滲透膜，該膜可以讓水分子通過，但不能讓溶質顆粒通過。海水的滲透壓約為27atm。反滲透從海水中淡化淡水。

另見

• 滲透
• 逆滲透
• 張性
• 吉布斯-唐南效應

參考資料

1. Voet, Donald; Judith Aadil; Charlotte W. Pratt. Fundamentals of Biochemistry Rev. New York: Wiley. 2001: 30. ISBN 978-0-471-41759-0.
2. Atkins, Peter W.; de Paula, Julio. Section 5.5 (e). Physical Chemistry 9th. Oxford University Press. 2010. ISBN 978-0-19-954337-3.
3. Lewis, Gilbert Newton. The Osmotic Pressure of Concentrated Solutions and the Laws of the Perfect Solution.. Journal of the American Chemical Society. 1908-05-01, 30 (5): 668–683 [2022-07-30]. ISSN 0002-7863. doi:10.1021/ja01947a002. （原始內容存檔於2022-06-18）.

外部連結

• Osmotic pressure and potential （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）
• Osmotic pressure
• Nobel Prize lecture on osmotic pressure and chemical equilibrium (pdf) （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）
• What is Osmosis? Explanation and Understanding of a Physical Phenomenon （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）