先有膜的选择性
渗透讨论的是溶剂穿过选择透过性膜的净迁移。在常见水溶液实验中,膜允许水通过,却阻碍某些溶质通过;这种不对称性使两侧不能简单地通过所有组分自由混合而消除差异。没有相应的选择性边界,盐和水的相互扩散不能都笼统叫作渗透。
水分子会向两个方向穿膜。“水进入某一侧”说的是一段时间内进入与离开数量之差,不表示反方向的运动消失。达到渗透平衡以后,分子仍可交换,只是没有持续的净流量。生物膜还含有水通道等蛋白,其透水能力与对各种溶质的通透性并不相同。
浓度只是条件之一
在相同温度和相近压力下,若溶质不能穿膜,水通常从较稀的一侧净移向较浓的一侧。更一般的热力学表述是:溶剂趋向从较高化学势向较低化学势转移。化学势可理解为一定条件下增添少量某组分所对应的自由能变化,既受组成影响,也受压力影响。
因此,“永远由低浓度流向高浓度”并不是无条件定律。随着水进入,液柱高度或细胞内压力可能上升,逐渐抵消组成差异带来的驱动。当两侧溶剂化学势相等时,可以保持不同溶质浓度而达到平衡。
渗透压与反向推动
渗透压是用适当压力差恰好阻止净渗透所需的压力尺度。对理想稀溶液,可用溶质粒子的物质的量浓度、绝对温度和气体常数估算;重要的是有效粒子数,而不是把任何溶质的质量浓度直接代入。电解质解离及非理想相互作用会影响实际结果。
若在浓溶液一侧施加足够大的压力,溶剂可逆着通常的渗透方向通过膜,这就是反渗透的基础。海水淡化据此分离水与大部分盐分。外加压力需要能量,所以它不是仅靠一层膜就能无代价地获得纯水,也不意味着任何膜都能同样有效地截留所有物质。
参考:[1]
细胞中的被动过程与主动调节
在适当的低渗环境中,动物细胞可能吸水膨胀;高渗环境则可使其失水收缩。植物细胞壁限制体积扩张,水进入后形成的膨压有助于维持组织挺立。判断这些变化时必须指明参照的细胞、溶质是否能穿膜及观察时间,不能只比较溶液看起来浓不浓。
渗透本身是被动过程,不要求细胞直接为每个过膜水分子消耗代谢能。不过,细胞可以利用主动运输改变离子分布,间接改变水移动的条件。主动调节建立或维持梯度,与水沿当时的驱动力移动,是相关而不同的两个环节。