渗透

渗透是溶剂通过限制溶解物质通行的选择透过性膜发生的自发净移动。在生物系统中，溶剂是水。当膜两侧的温度和压强相等时，水通常向不可透过膜的溶质粒子浓度较高的溶液一侧移动。更准确地说，移动方向取决于溶剂的化学势差，而化学势既受溶液组成影响，也受压强影响。渗透会影响细胞体积、植物的水分关系以及基于膜的分离过程。(openstax.org)

物理基础

渗透与扩散有关，但专指溶剂穿过选择性屏障的输运。溶剂分子会向两个方向运动；“净移动”指的是这两股相反流动之间的差额。膜不一定是生物膜：合成材料也可以允许水通过，同时截留特定的溶解分子或离子。膜的选择性取决于其结构及其与穿膜物质之间的相互作用，而不只是粒子的大小。(openstax.org)

在热力学中，驱动渗透的物理量是溶剂的化学势。溶解物质通常会使溶剂的热力学活度低于纯溶剂状态下的活度，而增大压强则会提高其化学势。溶剂的净转移会持续进行，直到这些影响相互平衡。在热力学平衡状态下，即使膜两侧的溶质浓度仍不相等，溶剂的化学势也相等。因此，渗透不一定会使两侧的浓度相等。(goldbook.iupac.org)

一种常见的演示实验使用装有纯水和糖溶液的 U 形管，两者之间用不允许糖通过的膜隔开。水进入糖溶液，使其液面升高。由此产生的静水压差最终抵消渗透趋势，使净转移停止，但分子交换并未停止。(openstax.org)

渗透压与定量描述

渗透压的符号为 $\Pi$，是指在仅允许溶剂通过的膜两侧，为使溶液与纯溶剂保持渗透平衡而需要向溶液施加的额外压强。对于理想稀溶液，

其中，$c_{\mathrm{particles}}$ 是独立运动的溶质粒子的物质的量浓度，$R$ 是气体常数，$T$ 是绝对温度。这一关系通常称为范特霍夫方程。(goldbook.iupac.org)

渗透压是一种依数性：在理想稀溶液极限下，它取决于溶解粒子的数量，而非其化学种类。因此，相同物质的量浓度下，电解质可能比不发生解离的物质产生更大的渗透压，因为电解质会解离成离子。当溶质浓度为 $c$ 时，方程常写为 $\Pi=icRT$，其中范特霍夫因子 $i$ 表示每个化学式单位所产生的有效粒子数。粒子间的相互作用会使溶液偏离理想行为。(openstax.org)

对于非理想溶液，溶剂活度能够提供更一般的描述。采用不可压缩流体近似时，

其中，$a_w$ 是水的活度，$\overline V_w$ 是水的偏摩尔体积。该表达式将基于浓度的近似关系与热力学定义联系起来。(goldbook.iupac.org)

细胞膜与张度

细胞膜将细胞与周围环境隔开，并允许不同物质以不同速率通过。水可以穿过脂质双层；在许多细胞中，水还会迅速通过水通道蛋白，这是一类形成水通道的专门膜蛋白质。这些通道促进水沿已有的驱动力梯度移动，而不是将水逆梯度泵送。(openstax.org)

张度描述溶液对细胞体积的影响。低渗环境使水净流入细胞；高渗环境使细胞净失水；等渗环境则不会使细胞体积发生持续的净变化。在足够低渗的条件下，动物细胞可能膨胀并破裂；在高渗条件下，则可能皱缩。植物细胞壁会限制细胞膨胀，使细胞内部得以建立压强。(openstax.org)

张度不等同于总渗透浓度。其持续效应取决于哪些溶质对于特定的膜而言实际上不能透过。渗透调节维持水和溶质的平衡，并有助于维持稳态。虽然水的移动本身是被动过程，但维持影响水移动的溶质梯度可能需要耗能的输运过程。(arxiv.org)

植物的水分关系

植物生理学用水势描述水的移动，这一指标综合考虑了溶质、压强、重力以及水与周围物质相互作用的影响。水从水势较高处移向水势较低处。添加溶质会降低水势中的溶质分量，而正的静水压会提高压强分量。因此，不能仅凭浓度判断所有植物组织中的水分移动方向。(openstax.org)

水通过渗透进入植物细胞，会产生膨压，为非木质化组织提供支撑。失水会降低膨压，并可能导致萎蔫；失水足够严重时，细胞膜可能与细胞壁分离。渗透还将木质部中的水与糖的运输联系起来：糖在输导组织中积累会降低水势，吸引水进入，并有助于产生驱动运输的压强。(openstax.org)

技术应用

反渗透通过施加足以克服反向渗透压差的压强，使水从高浓度进料流穿过选择性膜，进入浓度较低的产物流。这项技术广泛用于海水淡化和水净化。溶解盐大多留在浓缩液流中，而透过膜的水则被单独收集。(openstax.org)

实际系统必须控制膜污染和矿物结垢，这些问题会降低系统性能，因此需要进行预处理、清洗或更换膜。其他渗透技术利用浓度差将水吸入浓溶液，或探索利用盐度差回收能量。这些应用所利用的膜选择性、溶剂活度与压强之间的耦合关系，与支配细胞内渗透过程的关系相同。(usbr.gov)

参考来源

1. 2 Passive Transport - Biology 2eopenstax.org
2. 4 Colligative Properties - Chemistry 2eopenstax.org
3. Osmosis, from molecular insights to large-scale applicationsarxiv.org
4. 1 Osmoregulation and Osmotic Balance - Biology 2eopenstax.org
5. The Nobel Prize in Chemistry 2003nobelprize.org
6. 5 Transport of Water and Solutes in Plants - Biology 2eopenstax.org
7. Yuma Area Office: Reverse Osmosisusbr.gov
8. Scaling resistant RO/NF membraneusbr.gov