渗透定义

溶剂分子通过半透膜从浓度较低的溶液移动到浓度较高的溶液的过程称为渗透作用（Osmosis）。这是一个被动过程，无需消耗能量。溶剂分子的运输在高浓度和低浓度区域之间进行，直到膜两端的浓度相同。1877年，德国植物生理学家威廉·普费弗（Wilhelm Pfeffer）首次对这一过程进行了深入研究。此前对有泄漏的膜（如动物膀胱）以及化学物质和水流过它们的研究则不够具体。一位名叫托马斯·格雷厄姆（Thomas Graham）的英国科学家在1854年左右创造了“osmose”这个词（现在称为 Osmosis）。

如果液体被一层能让溶剂通过但不能让溶质通过的膜与纯溶剂隔开，那么由于溶剂被膜吸收，溶液很可能会变得更稀。通过将液体的压力增加一定量，可以减缓这个过程。1886年，荷兰出生的化学家雅各布斯·范特霍夫（Jacobus Van 't Hoff）证明，如果溶质非常稀，以至于其在溶液中的蒸气压符合亨利定律（即，它与其在溶液中的量成正比），那么渗透压就可以根据温度和浓度以类似于气体占据相同体积的方式进行改变。这导致了根据温度、冰点和蒸气压来估算稀溶液中溶质分子量的公式。

渗透压

渗透压是阻止纯溶剂通过半透膜流入溶液所需的最小压力。它也可以被描述为溶液通过渗透作用吸收纯溶剂能力的度量。如果溶液通过半透膜与其来源的溶剂分离，那么溶液中可能产生的最强渗透压被称为潜在渗透压。

如果两种溶剂含量不同的溶液通过选择性渗透膜隔开，就会发生渗透作用。溶剂分子会更频繁地从浓度低的溶液穿过膜移动到溶质含量较高的溶液。溶剂分子的运动将持续到达到平衡为止。

什么是半透膜？

它是两种溶液之间的一层薄膜，它允许溶液中的某些元素（通常是溶剂）通过。半透膜的作用是允许特定分子通过，但阻止其他分子通过。半透膜就像一个过滤器。所有类型的半透膜都能阻挡不同尺寸的分子。半透膜可以用化学或合成物质制成。

部分渗透膜或差异渗透膜是半透膜的不同名称。

不同类型的渗透作用

通常，有两种渗透作用——

1. 内渗

当一个细胞被置于低渗溶液中时，水会循环进入细胞，导致其生长或发生质壁分离。这是因为溶液中的溶质浓度低于细胞中的浓度。这个过程被称为内渗（endosmosis）。向容器或细胞内部的渗透过程被称为内渗。当细胞外的水势高于细胞内的水势时，就会发生内渗。最终，周围溶液中的溶质浓度低于细胞质中的浓度。这种溶液的正确名称是低渗溶液。在内渗过程中，水分子穿过细胞膜进入细胞内。水分子进入细胞会触发细胞膨胀。

例如：当葡萄干放入普通水中时，它们会膨胀。

2. 外渗

当一个细胞被置于高渗溶液中时，细胞内的水会逸出，因此，细胞会发生质壁分离（变得松弛）。这是因为溶液中的溶质浓度高于细胞质中的浓度。这被称为外渗（exosmosis）。外渗是指渗透过程使水移出容器或细胞。当细胞环境中的水势低于细胞内的水势时，就会发生外渗。最终，周围溶液中的溶质浓度大于细胞质中的浓度。这类溶液被称为高渗溶液。外渗是指水分子从细胞内穿过细胞膜向外移动。水分子移出细胞会导致细胞收缩。

例如：当葡萄干放入盐溶液中时，它们会收缩。

反渗透

这是一个独立的过程，它利用压力将溶剂推过一层不透水的膜，该膜将溶剂保留在一侧，并允许溶剂通过到另一侧。该过程利用压力使溶剂从高浓度区域移动到低浓度区域。这就是为什么反渗透可以被描述为一般渗透作用的逆过程。

正向渗透

这是一个有机过程，利用半透膜从水中去除溶解的物质。正向渗透法由于其高效的过滤过程，保证了从进料溶液中回收最纯净的水，因此在工业领域的各种水处理过程中都很有用，例如水处理、产品浓缩和水循环利用。由于它依赖于渗透压产生的自然能量，因此比其他基于压力的液压水处理系统消耗更少的能源。

渗透浓度

溶液的渗透压摩尔浓度可以指示在一升溶液中物质的浓度。渗透摩尔（Osm）用于确定渗透浓度，表示为每升的渗透摩尔数（Osm/L）。在某些情况下，渗透浓度也可以用每升毫摩尔（mmol/L）来衡量。当溶剂或水的量减少时，溶剂的渗透含量增加。同样地，增加溶液中液体的量会降低溶剂的渗透浓度。

等渗溶液

在等渗液体中，当细胞内外物质水平相等时，细胞与其周围环境处于平衡状态（iso 在希腊语中意为“相等”）。在这种情况下，没有浓度梯度，这意味着没有显著的水进出。但是，水分子能够同时在两个方向上进出细胞。

低渗溶液

在低渗液体中，溶质浓度低于细胞内的浓度（前缀 hypo 在拉丁语中意为“下面”或“之下”）。由于不同隔室之间的浓度差异，细胞会充满水。动物细胞比植物细胞更不能耐受这种情况。当植物中的巨大中央液泡充满水时，水被泵入细胞间隙。由于两种过程的结合，对细胞壁产生压力，导致细胞壁膨胀，这被称为膨压。细胞壁起到阻止细胞膨胀的作用。然而，动物细胞在被置于高渗溶液中时会膨胀直到破裂死亡。

高渗溶液

前缀 hyper 在拉丁语中意为“之上”。高渗液体中存在的溶质数量大于细胞内的数量。水会涌出，导致细胞收缩或皱缩。这在红细胞中很明显，它们会经历一个称为皱缩的过程。由于内部发生的过程，高渗溶液中的植物细胞可能呈现出针垫的形状。细胞膜会从细胞壁上脱落，但在胞间连丝处仍然附着。胞间连丝是传递和传输植物细胞间信息的小管。当内膜收缩时，会发生质壁分离，导致胞间连丝的壁收缩。

植物细胞中的渗透作用

如果一个细胞被置于比细胞浓度更高的超渗溶液中，它会因失水而收缩，然后死亡。例如，如果将一小块胡萝卜放入盐水中，它会变得软塌塌的，因为细胞会收缩。然而，与此相反，如果将胡萝卜放入等渗溶液中，它会膨胀和肿胀。正常的细胞会爆炸，但坚固的细胞壁阻止它破裂。当水进入细胞时，细胞会增大，直到对细胞壁施加高压使其进一步膨胀。然而，细胞壁会以相同的压力再次膨胀，不再有更多的水能进入。

渗透作用是植物体内水分运动的一个重要因素。溶质的浓度从土壤到根细胞，再到叶细胞时会增加。压力差有助于将水向上推。渗透作用还通过控制叶片表面的气孔大小来帮助控制叶片的水分流失。

渗透作用的重要性

在植物中

• 渗透作用有助于维持植物细胞中的水分含量。
• 它为植物体的较软细胞提供膨胀性。
• 渗透作用是控制根毛从土壤中吸收水分的机制。
• 它负责将液体从木质部成分传输到相邻细胞。
• 渗透压的增加为植物提供了抵御干旱影响的保护。

在动物中

• 渗透作用调节溶解的固体、气体和液体通过细胞的流动。
• 围绕细胞的半透膜允许特定物质进入或移出。这有助于释放有害的代谢产物，如尿素。
• 渗透作用还有助于从肠道吸收液体进入血液。

渗透作用的总体重要性

• 渗透作用在活细胞中营养物质的运输和代谢废物的排除中起着重要作用。
• 它调节细胞内液的内部流动和细胞内的水分水平。
• 渗透作用还调节细胞间的扩散，并有助于维持细胞的结构。
• 在植物中，生长的根通过渗透作用保持膨胀，可以轻松地穿透土壤。
• 渗透作用在种子的发芽过程中起着重要作用。

渗透作用的例子

• 埋在土壤中的植物根部对水的蒸腾作用。
• 植物细胞内的保卫细胞受渗透作用的影响。当植物细胞充满水时，保卫细胞会膨胀，使气孔打开以释放多余的水分。
• 如果你的手指长时间浸泡在水中，它们会变得像梅干一样。原因在于你的皮肤吸收了水分然后膨胀。

什么是扩散？

扩散是由分子的随机运动引起的。它导致物质从高浓度区域向低浓度区域的整体转移。一个常见的例子是一朵花的香味迅速扩散到整个房间的空气中。

在流体的情况下，热传导是将热能从较高温度传递到较低温度的过程。核反应堆需要中子在材料中扩散，这种材料通常会散射中子，但很少吸收它们。

扩散的例子

1. 少量食用色素被一杯水吸收。
2. 如果你把方糖放入水中，它最终会溶解，使水变甜。