醫用基礎化學教學中“滲透壓”定義研究

李寧波，喬 潔，喬 華，孫體健，衛建琮

（山西醫科大學 基礎醫學院化學教研室，山西太原 030001）

“滲透壓”是醫科類大學生在基礎化學課上最先接觸到的一個全新的概念，與“蒸氣壓下降”“沸點升高”和“凝固點降低”一起，稱作“稀溶液的依數性”。“滲透現象”是生物體中普遍存在的現象，“滲透壓”是醫學課程體系中的一個重要概念，在后續課程中屢屢使用，在醫學專業中廣泛應用。諾貝爾化學獎首次授予了荷蘭化學家范特霍夫，原因之一就是因為他是溶液滲透壓的發現者?！皾B透壓”也是美國的醫學院入學考試（MCAT）的考核內容。毫無疑問，學生應該準確掌握“滲透壓”這個概念，教師在教學改革中應該予以重視[1-2]。然而，現行基礎化學教材對“滲透壓”的定義，難以讓人通過文字傳達的意思對其內涵獲得準確理解，本文主要討論了此問題。

目前，學生使用的教材在介紹了“半透膜”和“滲透現象”兩個概念之后，描述了滲透過程和“滲透平衡”狀態，接著提出了“滲透壓”的定義：若要阻止滲透的發生必須在溶液液面上方施加一份額外的壓力，這種恰好能阻止滲透現象發生而施加于溶液液面的壓力稱為溶液的滲透壓（osmotic pressure）[3]。

僅從文字表述的角度來觀察，它并沒有揭示滲透壓的本質。因為本章教材有明確表示，滲透壓是溶液自身的性質。用半透膜將溶液和純溶劑隔開時，自然發生滲透現象。即因為溶液有滲透壓，才有滲透現象。滲透壓是滲透現象發生的原因，而不是阻止滲透現象發生之所需。而定義則反著來，是從阻止滲透現象發生需要給溶液液面施壓來講。顯然，這個施加的壓力，是外加的，不是溶液本身所具有的。即使對施加的壓力來說，同學們仍有不解之處，為什么會是一份“額外”的壓力呢？與“額外”相對的是“額定”。講“額外”的前提是對“額定”已經有交代。在沒有說明“額定”壓力的情況下，講“額外”壓力略顯突兀。

通過查閱其他教材和參考資料發現，用類似方式定義“滲透壓”占多數。只是各家的表述或幾乎完全相同，或有細微差別，或有明顯不同。因此，有必要進行進一步的辨析與申述。

1 是“外部”壓力，而不是“額外”壓力

凡是采用這種方式定義的，都是首先介紹“半透膜”“滲透”“滲透產生的原因”“滲透平衡”這一組概念，然后直接提出“滲透壓”的定義。這樣的講法，中間有跳躍。缺少的部分是：對于達到滲透平衡狀態的體系來說，若在溶液方的液面上施加一個適當的壓力，可使液面回到原來的位置，即滲透沒有發生之前的狀態，保持溶液和溶劑的液面相齊。從另一個角度來講，如果一開始就在溶液液面上施加一個適當的壓力，就不會有溶劑分子從溶劑方往溶液方的凈轉移。這就是定義所謂“阻止滲透現象發生”的情形[4]，如圖1所示。

圖1 滲透壓

顯然，這意味著，要阻止滲透現象發生，需要加一份壓力，而沒有在加了一份定量的壓力之外再加一份的意思，所以使用“額外”一詞，并無根據。如果要表明這份壓力是外加的這個意思，應該用“外部”，而不是“額外”。英文的用詞是“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”一詞也沒有必要使用

“施加”即說明這個壓力來自外部，對于體系來說，只是受壓。所以，表述中只要出現“施加”之類的字眼，就暗含著壓力“來自外部”的意思。不用“外部”這兩個字，不僅意思表達完整，而且句子顯得更加干凈利落。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 教材定義的“滲透壓”，只涉及滲透壓的數值，未及“滲透壓”本身

定義是要揭示事物的本質屬性，描述其基本屬性，指出概念的內涵、外延。

教材用外壓定義的所謂“滲透壓”，除了上面指出的“外壓”這一點，同時還包含了一個壓力的量，體現出來的結果是數值。一些資料的表述指出，這個壓力與“滲透壓”的數值相等，是滲透壓的測量值。這也就意味著，教材的定義只規定了“滲透壓”的數值，并未涉及滲透壓本身。

一個定義，如果不涉及“滲透壓”的本質，指出“滲透壓”所指究竟是什么，產生于何處，性質怎樣，功能表現又是什么，那是不能令人滿意的。

4 為什么會出現“額外”這個詞

滲透壓的數值，如果要通過實驗測量，用施加壓力將升高了的液面壓回到原來的位置的辦法，是可行的。如果要按照這個思路進行數學處理，則比較難施行。起初的溶液濃度雖然是準確已知的，達到滲透平衡時，由于一部分溶劑從純溶劑一側轉移到了溶液一側，稀釋了溶液，使得溶液的濃度發生了變化。這是定量計算的困難之處。于是，采用另一種裝置，如圖2所示，van’t Hoff公式就是由此推導出來的[7]。

圖2 滲透壓的計算

這種運用熱力學原理計算滲透壓的方法，是設定純溶劑和溶液兩方受到的壓力不同，而溶劑的化學勢相等，以阻止溶劑的凈轉移。平衡時，純溶劑上方受到的壓力是大氣壓；溶液上方受到的壓力是，除了大氣壓之外，還有一份“額外”的壓力Π（這份“額外”的壓力就是滲透壓）。這是因為，由于溶質的存在，溶液中溶劑的化學勢減小。“額外”壓力的施加，是為了增加溶液側溶劑的化學勢，使得達到平衡時膜兩側溶劑的化學勢相等。

與純溶劑方受到的壓力相比，溶液方受到了更大的壓力。以純溶劑方受到的壓力為“額定”壓力，溶液方受到的壓力既包括“額定”壓力，還有“額外”壓力Π。這可能是定義中使用“額外”一詞的原因。然而，這里的數學處理中使用“額外”，順理成章。在下定義的情形下使用“額外”，則令人莫名其妙。

5 “滲透壓”究竟是什么

上述關于滲透壓計算的說明，只能讓學生了解“額外”二字的可能來歷，并未從任何方面揭示“滲透壓”的本質。那么，“滲透壓”究竟是什么呢？

按照一般的思維習慣，可以把“滲透壓”理解為“（將溶液與純溶劑以半透膜隔開時，溶液所具有的）使滲透現象得以發生的壓力”。這是溶液“驅使”“吸引”溶劑分子透過半透膜轉移到溶液中的壓力。

關于滲透壓，下面這段話描述得最明白：

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.

圖3 滲透壓的產生（本質）

另外，“滲透”對應的英文單詞是“osmosis”，其希臘語詞源的含義是“push”。可以將它與上述引文中的“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.”相對應，即滲透壓是將溶液向上頂起來形成液柱的力。滲透平衡時，它與液柱產生的向下的壓力相等。也許正因為如此，有人將“溶液液面比純溶劑液面高出部分的液柱所產生的靜液壓”稱為滲透壓。

6 結束語

若從阻止滲透現象發現的角度來定義“滲透壓的數值”，則這樣一句話完全可以勝任：為阻止滲透現象發生而施加于溶液液面上的壓力。

若要揭示“滲透壓的本質”，又難以用一句話來下定義時，不妨盡可能準確完整地敘述過程、描述現象，加以注釋性的說明，以便準確界定其本質和數值，獲得比較清晰的認識，至少不至于發生誤解。