渗透现象是自然界的一种普遍现象，如因干旱而发蔫的农作物，浇水后又可以重新恢复生机；海鱼不能生活在淡水里；用蒸馏水冲洗伤口会感觉到胀痛。这些都与渗透作用有关。人体体液的成分与含量均很复杂，应时刻保持体内的渗透平衡。临床治疗时，对药物浓度有严格要求，如给病人输液时，生理盐水的浓度为0.154mol·L ^-1，过大或过小都会造成严重后果甚至死亡。所以，渗透现象在医学上十分重要，它对于人体保持正常的生理功能有着十分重要的意义。

在容器两侧分别放入纯溶剂和溶液，中间用半透膜隔开，并使两侧液面的高度相等（图1-1a）。经过一段时间以后，可见溶剂一侧的液面不断下降，溶液一侧的液面不断上升，宏观上表现为溶剂分子不断通过半透膜转移到溶液中。这种溶剂分子通过半透膜自发进入到溶液中的现象称为渗透现象，简称渗透（osmosis）。不同浓度的两溶液用半透膜隔开，也有渗透作用发生。半透膜的种类多种多样，通透性也不相同。理想的半透膜（semipermeable membrane）是一种只允许溶剂分子自由透过，而不允许溶质分子或离子自由透过的薄膜。动物的膀胱膜、细胞膜、毛细血管壁等生物膜，生化试验中应用的透析袋、超滤膜，人工制造的火棉胶膜、羊皮纸等都是半透膜。

产生渗透现象的原因，是由于半透膜两侧单位体积内溶剂分子数不相等，单位时间内由纯溶剂进入溶液的溶剂分子数要比由溶液进入纯溶剂的多，结果是溶液一侧液面上升。随着溶液液面的上升，高出的这段液体产生的静水压逐渐增大，使溶液中的溶剂分子加速通过半透膜到达纯溶剂一侧。当液面到达一定高度时，半透膜两侧溶剂分子进出的速率相等，即达到渗透平衡，这时液面不再升高（图1-1b）。也就是说，用半透膜将纯溶剂与溶液隔开时，为了阻止渗透现象发生需要在溶液上方施加一额外压力（图1-1c），这一额外压力称为渗透压（osmotic pressure）。其大小等于溶剂与溶液达渗透平衡时两侧液面高度差所产生的压力。渗透压用符号 Π表示，单位是Pa或kPa。而如果外加压力超过渗透压时，就会使溶剂由溶液向纯溶剂方向流动，或者由浓溶液向稀溶液流动（若半透膜两侧是稀溶液和浓溶液），该过程称为反渗透（reverse osmosis）。

综上所述，渗透现象的发生必须具备两个条件：一是有半透膜存在；二是半透膜两侧单位体积中溶剂分子数目不相等。渗透的方向总是溶剂分子从纯溶剂向溶液渗透，或从稀溶液向浓溶液渗透。

渗透与人体的功能活动密切相关。人体的每一个活细胞的细胞膜都具有半透膜特性，当细胞膜膜电位处于动态平衡时，它只允许水分子透过，但不允许溶解在水中的其他物质分子或离子透过。水透过细胞膜进入细胞内，使细胞体积膨胀，这就是人体的组织和器官，尤其是皮肤组织都具有一定弹性的原因。

问题与思考

1886年，荷兰化学家范特霍夫（Van't Hoff）总结出了稀溶液的渗透压与溶液的浓度和热力学温度的关系：

式中， Π为稀溶液的渗透压（单位kPa）， n _B为溶质的物质的量（单位mol）， T为热力学温度（单位K， T= t+273， t为摄氏温度）， c _B为溶液的浓度（单位mol·L ^-1）， R为摩尔气体常数， R=8.314J·mol ^-1·K ^-1。

式（1-8）称为范特霍夫方程，它表示：一定温度下，稀溶液的渗透压与单位体积溶液中溶质的粒子数成正比，而与溶质的本性无关。

例如0.1mol·L ^-1的蔗糖溶液与0.1mol·L ^-1的葡萄糖溶液，物质的量浓度相同，单位体积溶液中溶质的粒子数也相同，因此它们的渗透压相等。

对于 浓度较稀的水溶液，其物质的量浓度近似地与质量摩尔浓度相等，即 c _B≈ b _B，因此式（1-8）可改写为：

电解质溶液由于溶质的解离，其产生的渗透压的计算公式为：

式中， i为校正因子，它的数值依据电解质在溶液中的解离情况而定。强电解质溶液的 i近似等于“1分子”电解质所能解离出的离子个数。例如在稀溶液中，NaCl的 i值约为2，CaCl ₂的 i值约为3。

例1-7 将4.00g蔗糖（C ₁₂H ₂₂O ₁₁）溶于水，配成100.00mL溶液，求溶液在37℃时的渗透压?

解 已知C ₁₂H ₂₂O ₁₁的摩尔质量为342g·mol ^-1，则：

从例1-7可以看出，0.117mol·L ^-1的蔗糖溶液在37℃时可产生302kPa的渗透压，相当于30.8m高的水柱的压力。这一点表明渗透压是蕴含在溶液中的一种强大的力量。

由于渗透压仅与单位体积溶液中溶质的粒子数有关，而与溶质的本性无关，因而将溶液中能产生渗透效应的溶质粒子（分子、离子）统称为渗透活性物质，渗透活性物质的物质的量浓度称为渗透浓度（osmolarity），记作 c _os，医学上常用单位为 mol·L ^-1或 mmol·L ^-1。

根据范特霍夫方程，在一定温度下，稀溶液的渗透压应与渗透浓度成正比，与溶质的本性无关。数学表达式为：

为了研究方便，医学上常用渗透浓度来间接表示溶液渗透压的大小。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，例如：NaCl溶液的渗透浓度为 c _os= c（Na ⁺）+ c（Cl ^-）；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产生的离子浓度之和，例如：HAc溶液的渗透浓度为 c _os=[HAc]+2[Ac ^-]；而对于非电解质溶液，渗透浓度等于其物质的量浓度，例如：葡萄糖溶液的渗透浓度为 c _os= c（C ₆H ₁₂O ₆）。

例1-8 医院补液用的生理盐水的质量浓度为9.0g·L ^-1，计算生理盐水的渗透浓度。

生理盐水的渗透浓度应为308mmol·L ^-1。

人体体液含有电解质、非电解质和高分子物质等，表1-2列出了正常人血浆、组织间液和细胞内液中各种渗透活性物质的渗透浓度。医学上的等渗、低渗和高渗溶液是以血浆的总渗透压（或渗透浓度）为标准来衡量的，从表1-2中可以看出，正常人血浆中各种渗透活性物质的总浓度为303.7mmol·L ^-1，根据实验可得出其正常渗透浓度范围是280～320mmol·L ^-1。所以医学上规定：渗透浓度在280～320mmol·L ^-1范围内的溶液为等渗溶液（isotonic solution）；渗透浓度＜280mmol·L ^-1的溶液为低渗溶液（hypotonic solution）；渗透浓度＞320mmol·L ^-1的溶液为高渗溶液（hypertonic solution）。

临床上给病人进行大量补液时，常使用等渗溶液，如：生理盐水或50g·L ^-1的葡萄糖溶液等。若大量使用低渗或高渗溶液，由于渗透作用，可使细胞变形或破坏，从而造成严重的后果。这可以通过红细胞在不同渗透浓度的溶液中的形态变化为例来加以说明。

将正常人的红细胞放入生理盐水中一段时间后，在显微镜下观察，发现红细胞的形状及大小没有什么变化（图1-2a）。这是因为生理盐水与红细胞内液的渗透压相等，水分子进入和离开红细胞的速率相等，细胞内外液之间处于渗透平衡状态。

将红细胞放入渗透浓度低于280mmol·L ^-1的低渗溶液中一段时间后，在显微镜下观察，会发现红细胞逐渐膨胀（图1-2b），最后破裂，释放出红细胞内的血红蛋白使溶液呈浅红色，医学上把这种现象称为溶血（hemolysis）。产生此现象的原因是低渗溶液的渗透压低于红细胞内液，低渗溶液中的水分子通过细胞膜进入红细胞内液而使细胞胀破。

将红细胞放入渗透浓度高于320mmol·L ^-1的高渗溶液中一段时间后，在显微镜下观察，会发现红细胞逐渐皱缩（图1-2c），医学上把这种现象称为胞浆分离（plasmolysis）。皱缩的红细胞相互聚结成团。若此种现象发生于血管内，将产生“栓塞”而阻断血流。产生该现象的原因是红细胞内液的渗透压低于细胞外高渗溶液的渗透压，红细胞内液中的水分子通过细胞膜进入细胞外而使细胞皱缩。

当然，临床上除使用等渗溶液外，在治疗失血性休克、烧伤休克、脑水肿等疾病及抢救危重病人时，也可以使用少量高渗溶液，这是因为当少量高渗溶液注入人体时，即可被体液稀释成等渗溶液。使用高渗溶液时，输入量不能太大且输入速度要慢，否则易造成局部高渗而导致机体水分调解失常及细胞的变形和破坏。由于低渗溶液可引起红细胞或组织细胞破裂，造成不能恢复的损害，因而应禁止直接将低渗溶液输入或注入人体。

如表1-2所示，血浆等生物体液是由电解质（如NaCl、KCl、NaHCO ₃等）、小分子物质（如葡萄糖、尿素等）和高分子物质（如蛋白质、糖类、脂质等）溶解于水而形成的复杂的混合体系。在医学上，习惯上把小分子和小离子等物质所产生的渗透压称为晶体渗透压（crystalloid osmotic pressure），把大分子物质所产生的渗透压称为胶体渗透压（colloidal osmotic pressure）。血浆中的渗透压是这两类物质所产生的渗透压的总和。其中，晶体渗透压约为705.6kPa，胶体渗透压为4kPa左右。

人体内存在着许多生物半透膜，如细胞膜、毛细血管壁膜等。由于这些半透膜的通透性不同，使晶体渗透压和胶体渗透压表现出不同的生理作用。

间隔着细胞内液与外液的细胞膜只允许水分子自由透过，而其他小分子和小离子以及大分子物质均不能自由透过。由于晶体渗透压远远大于胶体渗透压，因此，水分子的渗透方向主要取决于细胞内外液的晶体渗透压的大小。当人体缺水时，细胞外液的晶体渗透压增大，超过了细胞内液的渗透压，使细胞内液的水分子进入细胞外液，造成细胞内失水。如果大量饮水或输入过多的葡萄糖溶液（葡萄糖在体内氧化成二氧化碳和水），又可能造成细胞外液相对内液而言晶体渗透压减小，细胞外液的水分子通过细胞膜进入细胞内液，使细胞肿胀，严重时可引起水中毒。因此，晶体渗透压对维持细胞内外水盐的相对平衡起着重要作用。临床上常使用小分子和小离子物质的溶液来纠正某些疾病所引起的水盐失调。

间隔着血浆与组织间液的毛细血管壁膜允许水分子、各种小分子和小离子自由透过，只对蛋白质等胶体物质不表现通透性，所以，由蛋白质等大分子或大离子所产生的胶体渗透压虽然很小，但由于其不能透过毛细血管壁，对维持血容量和血管内外水盐的相对平衡却起着重要作用。

正常情况下，血浆中的蛋白质浓度比组织间液高，可以使毛细血管从组织间液“吸取”水分，同时又可以对抗因心脏收缩产生的血液舒张压，阻止血管内水分过分渗透到组织间液中，从而维持着血管内外水的相对平衡，保持血容量。当由于某些病变造成血浆蛋白浓度下降时，血浆胶体渗透压随之降低，水分子和小分子溶质就会通过毛细血管壁由血浆进入组织液，致使组织液增多而形成水肿。临床上对大面积烧伤或由于失血过多等原因造成血容量下降的病人进行补液时，除补充电解质溶液外，还要输入血浆或右旋糖酐等，以恢复血浆的胶体渗透压并增加血容量。