医用基础化学教学中“渗透压”定义研究

李宁波，乔 洁，乔 华，孙体健，卫建琮

（山西医科大学 基础医学院化学教研室，山西太原 030001）

“渗透压”是医科类大学生在基础化学课上最先接触到的一个全新的概念，与“蒸气压下降”“沸点升高”和“凝固点降低”一起，称作“稀溶液的依数性”。“渗透现象”是生物体中普遍存在的现象，“渗透压”是医学课程体系中的一个重要概念，在后续课程中屡屡使用，在医学专业中广泛应用。诺贝尔化学奖首次授予了荷兰化学家范特霍夫，原因之一就是因为他是溶液渗透压的发现者。“渗透压”也是美国的医学院入学考试（MCAT）的考核内容。毫无疑问，学生应该准确掌握“渗透压”这个概念，教师在教学改革中应该予以重视[1-2]。然而，现行基础化学教材对“渗透压”的定义，难以让人通过文字传达的意思对其内涵获得准确理解，本文主要讨论了此问题。

目前，学生使用的教材在介绍了“半透膜”和“渗透现象”两个概念之后，描述了渗透过程和“渗透平衡”状态，接着提出了“渗透压”的定义：若要阻止渗透的发生必须在溶液液面上方施加一份额外的压力，这种恰好能阻止渗透现象发生而施加于溶液液面的压力称为溶液的渗透压（osmotic pressure）[3]。

仅从文字表述的角度来观察，它并没有揭示渗透压的本质。因为本章教材有明确表示，渗透压是溶液自身的性质。用半透膜将溶液和纯溶剂隔开时，自然发生渗透现象。即因为溶液有渗透压，才有渗透现象。渗透压是渗透现象发生的原因，而不是阻止渗透现象发生之所需。而定义则反着来，是从阻止渗透现象发生需要给溶液液面施压来讲。显然，这个施加的压力，是外加的，不是溶液本身所具有的。即使对施加的压力来说，同学们仍有不解之处，为什么会是一份“额外”的压力呢？与“额外”相对的是“额定”。讲“额外”的前提是对“额定”已经有交代。在没有说明“额定”压力的情况下，讲“额外”压力略显突兀。

通过查阅其他教材和参考资料发现，用类似方式定义“渗透压”占多数。只是各家的表述或几乎完全相同，或有细微差别，或有明显不同。因此，有必要进行进一步的辨析与申述。

1 是“外部”压力，而不是“额外”压力

凡是采用这种方式定义的，都是首先介绍“半透膜”“渗透”“渗透产生的原因”“渗透平衡”这一组概念，然后直接提出“渗透压”的定义。这样的讲法，中间有跳跃。缺少的部分是：对于达到渗透平衡状态的体系来说，若在溶液方的液面上施加一个适当的压力，可使液面回到原来的位置，即渗透没有发生之前的状态，保持溶液和溶剂的液面相齐。从另一个角度来讲，如果一开始就在溶液液面上施加一个适当的压力，就不会有溶剂分子从溶剂方往溶液方的净转移。这就是定义所谓“阻止渗透现象发生”的情形[4]，如图1所示。

图1 渗透压

显然，这意味着，要阻止渗透现象发生，需要加一份压力，而没有在加了一份定量的压力之外再加一份的意思，所以使用“额外”一词，并无根据。如果要表明这份压力是外加的这个意思，应该用“外部”，而不是“额外”。英文的用词是“external”，而不是“extra”“additional”等。例如下面的表述。

The amount of external pressure required to equalize the levels is called the osmotic pressure （Π）。

2 “外部”一词也没有必要使用

“施加”即说明这个压力来自外部，对于体系来说，只是受压。所以，表述中只要出现“施加”之类的字眼，就暗含着压力“来自外部”的意思。不用“外部”这两个字，不仅意思表达完整，而且句子显得更加干净利落。用“外部”二字，似乎多余。例如下面的表述。

The osmotic pressure，Π （uppercase pi），is the pressure that must be Applied to the solution to stop the influx of solvent.

3 教材定义的“渗透压”，只涉及渗透压的数值，未及“渗透压”本身

定义是要揭示事物的本质属性，描述其基本属性，指出概念的内涵、外延。

教材用外压定义的所谓“渗透压”，除了上面指出的“外压”这一点，同时还包含了一个压力的量，体现出来的结果是数值。一些资料的表述指出，这个压力与“渗透压”的数值相等，是渗透压的测量值。这也就意味着，教材的定义只规定了“渗透压”的数值，并未涉及渗透压本身。

一个定义，如果不涉及“渗透压”的本质，指出“渗透压”所指究竟是什么，产生于何处，性质怎样，功能表现又是什么，那是不能令人满意的。

4 为什么会出现“额外”这个词

渗透压的数值，如果要通过实验测量，用施加压力将升高了的液面压回到原来的位置的办法，是可行的。如果要按照这个思路进行数学处理，则比较难施行。起初的溶液浓度虽然是准确已知的，达到渗透平衡时，由于一部分溶剂从纯溶剂一侧转移到了溶液一侧，稀释了溶液，使得溶液的浓度发生了变化。这是定量计算的困难之处。于是，采用另一种装置，如图2所示，van’t Hoff公式就是由此推导出来的[7]。

图2 渗透压的计算

这种运用热力学原理计算渗透压的方法，是设定纯溶剂和溶液两方受到的压力不同，而溶剂的化学势相等，以阻止溶剂的净转移。平衡时，纯溶剂上方受到的压力是大气压；溶液上方受到的压力是，除了大气压之外，还有一份“额外”的压力Π（这份“额外”的压力就是渗透压）。这是因为，由于溶质的存在，溶液中溶剂的化学势减小。“额外”压力的施加，是为了增加溶液侧溶剂的化学势，使得达到平衡时膜两侧溶剂的化学势相等。

与纯溶剂方受到的压力相比，溶液方受到了更大的压力。以纯溶剂方受到的压力为“额定”压力，溶液方受到的压力既包括“额定”压力，还有“额外”压力Π。这可能是定义中使用“额外”一词的原因。然而，这里的数学处理中使用“额外”，顺理成章。在下定义的情形下使用“额外”，则令人莫名其妙。

5 “渗透压”究竟是什么

上述关于渗透压计算的说明，只能让学生了解“额外”二字的可能来历，并未从任何方面揭示“渗透压”的本质。那么，“渗透压”究竟是什么呢？

按照一般的思维习惯，可以把“渗透压”理解为“（将溶液与纯溶剂以半透膜隔开时，溶液所具有的）使渗透现象得以发生的压力”。这是溶液“驱使”“吸引”溶剂分子透过半透膜转移到溶液中的压力。

关于渗透压，下面这段话描述得最明白：

In the simple arrangement shown in Fig.3，the pressure opposing the passage of solvent into the solution arises from the hydrostatic pressure of the column of solution that the osmosis itself produces.This column is formed when the pure solvent flows through the membrane into the solution and pushes the column of solution higher up the tube.Equilibrium is reached when the downward pressure exerted by the column of solution is equal to the upward osmotic pressure.

图3 渗透压的产生（本质）

另外，“渗透”对应的英文单词是“osmosis”，其希腊语词源的含义是“push”。可以将它与上述引文中的“This column is formed when the pure solvent flows through the membrane into the solution and pushes the column of solution higher up the tube… the upward osmotic pressure.”相对应，即渗透压是将溶液向上顶起来形成液柱的力。渗透平衡时，它与液柱产生的向下的压力相等。也许正因为如此，有人将“溶液液面比纯溶剂液面高出部分的液柱所产生的静液压”称为渗透压。

6 结束语

若从阻止渗透现象发现的角度来定义“渗透压的数值”，则这样一句话完全可以胜任：为阻止渗透现象发生而施加于溶液液面上的压力。

若要揭示“渗透压的本质”，又难以用一句话来下定义时，不妨尽可能准确完整地叙述过程、描述现象，加以注释性的说明，以便准确界定其本质和数值，获得比较清晰的认识，至少不至于发生误解。