醫(yī)用化學(xué):第三節(jié)　溶液的滲透壓

滲透作用是自然界的一種普遍現(xiàn)象，它對于人體保持正常的生理功能有著十分重要的意義。下面討論滲透作用的基本原理、滲透壓及其在醫(yī)學(xué)上的意義。

一、滲透現(xiàn)象和滲透壓

在蔗糖濃溶液上小心加入一層清水，水分子即從上層滲入下層，蔗糖分子也由下層涌入上層，直到蔗糖溶液的濃度均勻為止。一種物質(zhì)的粒子自發(fā)地分布于另一種物質(zhì)中的現(xiàn)象稱為擴散。

如果將蔗糖水溶液與水用半透膜隔開（圖1-2甲)，使膜內(nèi)和膜外液面相平，靜置一段時間后，可以看到膜內(nèi)溶液的液面不斷上升（圖1-2乙)，說明水分子不斷地透過半透膜進入溶液中。溶劑透過半透膜進入溶液的自發(fā)過程稱為滲透現(xiàn)象。不同濃度的兩種溶液被半透膜隔開時都有滲透現(xiàn)象發(fā)生。

半透膜是一種只允許某些物質(zhì)透過，而不允許另一些物質(zhì)透過的薄膜。上面實驗中的半透膜只允許水分子透過，而蔗糖分子卻不能透過。細胞膜、膀胱膜、毛細血管壁等生物膜都具有半透膜的性質(zhì)。人工制造的火棉膠膜、玻璃紙等也具有半透膜的性質(zhì)。

上述滲透現(xiàn)象產(chǎn)生的原因是蔗糖分子不能透過半透膜，而水分子卻可以自由通過半透膜。由于膜兩側(cè)單位體積內(nèi)水分子數(shù)目不等，水分子在單位時間內(nèi)從純水（或稀溶液)進入蔗糖溶液的數(shù)目，要比蔗糖溶液中水分子在同一時間內(nèi)進入純水（或稀溶液)的數(shù)目多，因而產(chǎn)生了滲透現(xiàn)象。滲透現(xiàn)象的產(chǎn)生必須具備兩個條件：一是有半透膜存在，二是半透膜兩側(cè)必須是兩種不同濃度的溶液。

圖1-2是滲透過程的示意圖，圖中v入表示水分子進入半透膜內(nèi)的速度，v出表示膜內(nèi)水分子透出到膜外的速度。甲表示滲透剛開始，乙表示滲透不斷進行，管內(nèi)液面不斷上升。但是液面的上升不是無止境的，而是達到某一高度時便不再上升（圖1-2丙)，此時，v入=v出,滲透達到平衡狀態(tài)即滲透平衡。阻止純?nèi)軇┫蛉芤褐袧B透，在溶液液面上所施加的壓力為該溶液的滲透壓。

如果被半透膜隔開的是兩種不同濃度的溶液，這時液柱產(chǎn)生的靜液壓，既不是濃溶液的滲透壓，也不是稀溶液的滲透壓，而是這兩種溶液滲透壓之差。

滲透壓的單位用Pa或kPa表示。

滲透壓是溶液的一個重要性質(zhì)，凡是溶液都有滲透壓。滲透壓的大小與溶液的濃度和溫度有關(guān)。

二、滲透壓與濃度、溫度的關(guān)系

1886年范特荷甫（van’t Hoff)根據(jù)實驗數(shù)據(jù)得出一條規(guī)律：對稀溶液來說，滲透壓與溶液的濃度和溫度成正比，它的比例常數(shù)就是氣體狀態(tài)方程式中的常數(shù)R。這條規(guī)律稱為范特荷甫定律。用方程式表示如下：

πV=nRT

或π=cRT（1-5)

式中π為稀溶液的滲透壓，V為溶液的體積，c為溶液的濃度，R為氣體常數(shù)，n為溶質(zhì)的物質(zhì)的量，T為絕對溫度。

式（1-5)稱為范特荷甫公式，也叫滲透壓公式。常數(shù)R的數(shù)值與π和V的單位有關(guān)，當π的單位為kPa，V的單位為升（L)時，R值為8.31kPa•L•K^-1•mol^-1。

范特荷甫公式表示，在一定溫度下，溶液的滲透壓與單位體積溶液中所含溶質(zhì)的粒子數(shù)（分子數(shù)或離子數(shù))成正比，而與溶質(zhì)的本性無關(guān)。

對于稀溶液，c近似于質(zhì)量摩爾濃度，因此上式又可寫成

π＝m_BRT

對于相同cB的非電解質(zhì)溶液，在一定溫度下，因為單位體積溶液中所含溶質(zhì)的粒子（分子)數(shù)目相等，所以滲透壓是相同的。如0.3mol•L^-1葡萄糖溶液與0.3mol•L^-1蔗糖溶液的滲透壓相同。但是，相同cB的電解質(zhì)溶液和非電解質(zhì)溶液的滲透壓則不相同。例如，0.3mol.L^-1NaCl溶液的滲透壓約為0.3mol.L^-1葡萄糖溶液滲透壓的2倍。這是由于在NaCl溶液中，每個NaCl粒子可以離解成1個Na⁺和1個Cl^－。而葡萄糖溶液是非電解質(zhì)溶液，所以0.3mol•L^-1NaCl溶液的滲透壓約為0.3 mol•L^-1葡萄糖溶液的2倍。

由此可見，滲透壓公式中，對電解質(zhì)溶液來說，濃度c_B（或m_B)是1升溶液中能產(chǎn)生滲透效應(yīng)的溶質(zhì)分子與離子總物質(zhì)的量，稱為滲透物質(zhì)的量濃度。

通過測定溶液的滲透壓，可以計算溶質(zhì)的相對分子質(zhì)量。如果溶質(zhì)的質(zhì)量為m，摩爾質(zhì)量為M。實驗測得溶液的滲透壓為π，則該溶質(zhì)的相對分子質(zhì)量（數(shù)值等于摩爾質(zhì)量)可通過下式求得：

（1-6)

式(1-6)主要用于測定高分子（蛋白質(zhì)等)的相對分子質(zhì)量。

滲透壓公式在醫(yī)療工作中有其現(xiàn)實意義。人體血液的滲透壓在正常體溫（37℃)時約為769.9kPa。要配制與血液滲透壓相等的溶液，即可由滲透壓公式計算出溶液的濃度。

三、滲透壓在醫(yī)學(xué)上的意義

（一)等滲、低滲、高滲溶液

滲透壓相等的兩種溶液稱為等滲溶液。滲透壓不同的兩種溶液，把滲透壓相對高的溶液叫做高滲溶液，把滲透壓相對低的溶液叫做低滲溶液。對同一類型的溶質(zhì)來說，濃溶液的滲透壓比較大，稀溶液的滲透壓比較小。因此，在發(fā)生滲透作用時，水會從低滲溶液（即稀溶液)進入高滲溶液（即濃溶液)，直至兩溶液的滲透壓達到衡為止。

在醫(yī)療實踐中，溶液的等滲、低滲或高滲是以血漿總滲透壓為標準。即溶液的滲透壓與血漿總滲透壓相等的溶液為等滲溶液。溶液的滲透壓低于血漿總滲透壓的溶液為低滲溶液。溶液的滲透壓高于血漿總滲透壓的溶液為高滲溶液。

給傷病員進行大量補液時，常用與血漿等滲的0.154mol•L^-1NaCl溶液（生理鹽水)，而不能用0.256 mol•L^-1NaCl的高滲溶液或0.068 mol•L^-1NaCl的低滲溶液。這是與血漿滲透壓有關(guān)的問題。下面討論紅細胞分別在這三種NaCl溶液中所產(chǎn)生的現(xiàn)象。

將紅細胞放到0.068 mol•L^-1 NaCl溶液中，在顯微鏡下可以看到紅細胞逐漸膨脹，最后破裂。醫(yī)學(xué)上稱這種現(xiàn)象為溶血。這是因為紅細胞內(nèi)液的滲透壓大于0.068mol·L^-1NaCL溶液滲透壓,因此,水分子就要向紅細胞內(nèi)滲透,使紅細胞膨脹,以致破裂.如將紅細胞放到0.256mol·L^-1NaCL溶液中,在顯微鏡下可以看到紅細胞逐漸皺縮,這種現(xiàn)象稱為胞漿分離.因為這時紅細胞內(nèi)液的滲透壓小于0.256mol·L^-1NaCL溶液的滲透壓,因此,水分子由紅細胞內(nèi)向外滲透,使紅細胞皺縮.如將紅細胞放到生理鹽水中,在顯微鏡下看到紅細胞維持原狀.這是因為紅細胞與生理鹽水滲透壓相等,細胞內(nèi)外達到滲透平衡的緣故.圖1-3為細細胞在不同濃度NaCL溶液中的形態(tài)圖。

圖1-3　紅細胞在不同濃度NaCl溶液中的形態(tài)未意圖

在醫(yī)療工作中，不僅大量補液時要注意溶液的滲透壓，就是小劑量注射時，也要考慮注射液的滲透壓。但臨床上也有用高滲溶液的，如滲透壓比血漿高10倍的2.78mol·L^-1葡萄糖溶液。因?qū)�急需增加血液中葡萄糖的患者，如用等滲溶液，注射液體積太大，所需注射時間太長，反而不易收效。需要注意，用高滲溶液作靜脈注射時，用量不能太大，注射速度不可太快，否則易造成局部高滲引起紅細胞皺縮。當高滲溶液緩緩注入體內(nèi)時，可被大量體液稀釋成等滲溶液。對于劑量較小濃度較稀的溶液，大多是將劑量較小的藥物溶于水中，并添加氯化鈉、葡萄糖等調(diào)制成等溶液，亦可直接將藥物溶于生理鹽水或0.278mol·L^-1葡萄糖溶液中使用，以免引起紅細胞破裂。

（二)毫滲透量濃度

人的體液中既有非電解質(zhì)（如葡萄糖等)，也有電解質(zhì)（如NaCL,CaCL₂,NaHCO₃等鹽類)。為了表示體液總的滲透壓大小，醫(yī)學(xué)上常用毫滲透量濃度來比較，簡稱毫滲量·升^-1，用mOsm·L^-1表示。這種濃度是溶液中能產(chǎn)生滲透作用的溶質(zhì)的粒子（分子或離子)的總物質(zhì)的量濃度。

例7分別計算0.278mol·L^-1葡萄糖溶液和生理鹽水(0.154mol·L^-1NaCL)的毫滲透量濃度。

解：0.278mol·L^-1葡萄糖溶液的毫滲透量濃度為：0.278×1000=278≈280(mOsm·L^-1)生理鹽水的毫滲透量濃度為:0.154×2×1000=308(mOsm·L^-1)

由于在一定溫度下,溶液的滲透壓與溶液的毫滲量·升^-1成正比,因此,常用它來衡量或比較溶液滲透壓的大小.表1-4為正常人血漿中各種離子的毫滲量濃度.

從表4-1可看出,正常人血漿中各種離子的總濃度為151.0+139.5=290.5mOsm·L^-1(血漿中非電解質(zhì)如葡萄糖、尿素等含量較少，僅相當于5mOsm·L^-1左右)。臨床上規(guī)定血漿總滲m.bhskgw.cn/zhicheng/量濃度正常范圍是280～320mOsm·L^-1。如果溶液的毫滲透量濃度處于這個范圍以內(nèi)，則為血漿的等滲溶液；小于此范圍的溶液為低滲溶液；大于此范圍的溶液則為高滲溶液。

表1-4　正常人血漿中各種離子的mOsm·L^-1

由例7計算結(jié)果說明生理鹽水為血漿的等滲溶液，0.278mol.L^-1葡萄糖溶液為278mOsm·L^-1近似于280mOsm·L^-1,所以它也是血漿的等滲溶液.

臨床上常用的等滲溶液有:

1.　生理鹽水(0.154mol·L^-1NaCL溶液)，毫滲透量深度為308mOsm·L^-1。

2.0.278mol·L^-1葡萄糖溶液,亳滲量溶液濃度為278mOsm·L^-1（近似于280mOsm·L^-1)。

3.0.149mol·L^-1碳酸氫鈉溶液，毫滲透量濃度為298mOsm·L^-1。

臨床上常用的高滲溶液有：

1.0.513mol·L^-1.NaCL溶液，毫滲透量濃度為1026mOsm·L^-1.

2.0.278mol·L^-1葡萄糖氯化鈉溶液（是生理鹽水中含0.278mol·L^-1葡萄糖),毫滲透量濃度應(yīng)為308+278=586mOsm·L^-1,其中生理鹽水維持滲透壓,葡萄糖則供給熱量和水.

3.2.78mol·L^-1葡萄糖溶液，毫滲透量濃度為2780mOsm·L^-1。

（三) 晶體滲透壓和膠體滲透壓

血漿中含有低分子的晶體物質(zhì)（如氯化鈉、葡萄糖和碳酸氫鈉等)和高分子的膠體物質(zhì)（如蛋白質(zhì))。血漿中的滲透壓是這兩類物質(zhì)所產(chǎn)生滲透壓的總和。其中由低分子晶體物質(zhì)產(chǎn)生的滲透壓叫做晶體滲透壓；由高分子膠體物質(zhì)產(chǎn)生的滲透壓叫做膠體滲透壓。

血漿中低分子晶體物質(zhì)的含量約為0.7%,高分子膠體物質(zhì)的含量約為7%.雖然高分子膠體物質(zhì)的百分含量高,它們的相對分子質(zhì)量卻很大,因此,它們的粒子數(shù)很少.低分子晶體物質(zhì)在血漿中含量雖然很低,但由于相對分子質(zhì)量很小,多數(shù)又可離解成離子,因此粒子數(shù)較多.所以,血漿總滲透壓絕大部分是由低分子的晶體物質(zhì)產(chǎn)生的.在37℃時,血漿總滲透壓約為769.9kPa,其中膠體滲透壓僅為2.9～4.0kPa.

人體內(nèi)半透膜的通透性不同，晶體滲透壓和膠體滲透壓在維持體內(nèi)水鹽平衡功能上也不相同。膠體滲透壓雖然很小，但在體內(nèi)起著重要的調(diào)節(jié)作用。

細胞膜是體內(nèi)的一種半透膜，它將細胞內(nèi)和細胞外液隔開，并只讓水分子自由透過膜內(nèi)外，而K⁺、Na⁺則不易自由通過。因此，水在細胞內(nèi)外的流通，就要受到鹽所產(chǎn)生的晶體滲透壓的影響。晶體滲透壓對維持細胞內(nèi)外水分的相對平衡起著重要作用。臨床上常用晶體物質(zhì)的溶液來糾正某些疾病所引起的水鹽失調(diào)。例如，人體由于某種原因而缺水時，細胞外液中鹽的濃度將相對升高，晶體滲透壓增大，于是使細胞內(nèi)液的水分通過細胞膜向細胞外液滲透，造成細胞內(nèi)液失水。如果大量飲水或者輸入過多的葡萄糖溶液，則使細胞外液鹽濃度降低，晶體滲透壓減小，細胞外液中的水分向細胞內(nèi)液中滲透，嚴重時可產(chǎn)生水中毒。高溫作業(yè)之所以飲用鹽汽水，就是為了保持細胞外液晶體滲透壓的恒定。

毛細血管壁也是體內(nèi)的一種半透膜，它與細胞膜不同，它間隔著血漿和組織間液，可以讓低分子如水、葡萄糖、尿素、氫基酸及各種離子自由透過，而不允許高分子蛋白質(zhì)通過。所以，晶體滲透壓對維持血液與組織間液之間的水鹽平衡不起作用。如果由于某種原因造成血漿中蛋白質(zhì)減少時，血漿的膠體滲透壓就會降低，血漿中的水就通過毛細血管壁進入組織間液，致使血容量降低而組織液增多，這是形成水腫的原因之一。臨床上對大面積燒傷，或者由于失血而造成血容量降低的患者進行補液時，除補以生理鹽水外，同時還需要輸入血漿或右旋糖酐等代血漿，以恢復(fù)血漿的膠體滲透壓和增加血容量。