為什麼人不能喝海水 卻可以在運動過後喝運動飲料補充電解質呢？ 還有 為什麼某些體弱者 需要施打特定濃度的點滴注射液呢？ 這一切都要從一層薄膜「半透膜」說起 半透膜根據結構不同 選擇性的允許某些分子或離子通過 它普遍存在於動植物當中 例如動植物中的細胞膜 動物的膀胱膜及羊皮紙等 兩百多年前 一位法國物理學家諾勒 在1748年為了改進酒的製作過程 他把酒精裝滿玻璃圓筒後 用豬膀胱將筒口封住 當圓筒浸入水中後 膀胱膜會向外膨脹最後撐破 顯示水會透過膀胱膜進入筒內 諾勒對這個現象的解釋是膀胱膜對水和酒精 有不同的滲透性 1830年法國生理學家杜特羅夏 他以羊皮紙封住鐘罩型的玻璃容器開口端 而另一端則插入一支長玻璃管 接著把糖水溶液倒入容器內 他將容器浸入水槽 觀察到玻璃管內溶液開始上升 杜特羅夏認為 玻璃管內液面的上升來自於水槽內的水 通過羊皮紙進入容器內所造成 而水的遷移同時造成了壓力 他將此現象命名為「滲透」 取自於希臘文 意謂「推進」 如果用粒子模型來看 半透膜兩側分別注入純水和糖水 而半透膜只允許水分子通過 由於半透膜兩側水的濃度不同 水分子從純水進入溶液中的速率 大於從溶液進入純水的速率 故由純水移往糖水的水分子比較多 因而造成了滲透現象的產生 持續觀察裝置 經過一段時間後 糖水液面升到某一高度就會停止 糖水液面與純水液面會產生高度差 這個高度差所呈現的壓力就稱為糖水的滲透壓 因為天然的半透膜比較脆弱 所以滲透壓的測量與定量研究 是從1867年德國化學家莫里茨特勞布 製作出人造半透膜後才開始 因為滲透壓是可以讓樹液上升到樹木頂端的重要因素之一 對植物的生長非常重要 因此最初滲透壓的定量研究 是由植物學家浦菲弗開始進行的 他將人造半透膜放在一個多孔罐的壁面上 接著在罐內裝入蔗糖溶液 並連接到水銀壓力計上 最後將多孔罐浸入純水中 設計出可成功測量滲透壓的方法 浦菲弗進行一系列對滲透壓的實驗 得到數據為：糖水重量百分率為1時 糖水滲透壓為535毫米汞柱 糖水重量百分率為2時 糖水滲透壓為1016毫米汞柱 糖水重量百分率為4時 糖水滲透壓為2082毫米汞柱 糖水重量百分率為6時 糖水滲透壓為3075毫米汞柱 實驗結果發現糖水濃度越大時 滲透壓就越大 他進而討論溫度對滲透壓的影響 得到的數據為 在實驗溫度為7℃ 也就是280K時 糖水的滲透壓為504毫米汞柱 在實驗溫度為14℃ 287K時 糖水的滲透壓為525毫米汞柱 在實驗溫度為22℃ 295K時 糖水的滲透壓為547毫米汞柱 在實驗溫度為36℃ 309K時 糖水的滲透壓為567毫米汞柱 實驗結果也發現改變實驗溫度 其滲透壓也隨之增大 但浦菲弗並無法找到滲透壓和濃度、溫度間的關係 他的實驗結果 仍停留在專門的植物學領域中 1887年荷蘭的理論化學家凡特何夫 開始進行滲透壓的理論研究 參考了浦菲弗的實驗結果後發現 滲透壓的大小與濃度和絕對溫度成正比 凡特何夫進一步假設滲透壓與氣體壓力相同 如同氣體因為碰撞器壁而產生壓力一般 我們也可以想像滲透壓是由於溶解的分子 與溶劑包圍的半透膜的碰撞而產生的 根據這個想法 他由氣體方程式提出滲透壓公式 並以浦菲弗的數據計算固定濃度蔗糖溶液的R’值 假設289K時 1% 蔗糖溶液 滲透壓為535 mmHg 若溶液密度約為1g/cm³ 表0.1L溶液中約有1g蔗糖 將多次實驗值帶入公式 π等於CᴍR’T求得 R’取平均後 得R’值正是理想氣體常數R 凡特何夫因為滲透壓和化學動力學等方面的研究 獲得第一屆諾貝爾化學獎 在進行滲透壓實驗時 猜猜看 在相同溫度下 若要讓不同成分的溶液達相同滲透壓 所需配製的濃度會一樣嗎？ 實驗發現若欲讓氯化鈉、蔗糖、葡萄糖、硫酸鈉達到等滲透壓 各需配製的濃度如畫面所示 經實驗發現 各溶液欲達相同滲透壓 蔗糖、葡萄糖所需的濃度最高 氯化鈉第二 硫酸鈉所需濃度最低 凡特何夫推測電解質在水中解離後的粒子數變多 亦將使同濃度電解質的滲透壓比糖水大 故以 i 凡特何夫因子表示溶液中解離後的粒子總數 除以解離前的粒子總數 用來修正電解質水溶液的滲透壓方程式 當電解質完全解離時 氯化鈉水溶液的理論 i 值為 2 而硫酸鈉水溶液的理論 i 值為 3 溶液愈稀薄時 電解質解離愈完全 i 的實驗值會愈接近理論值 其修正後的滲透壓方程式為π等於iCᴍRT 由此得知 在同溫度下 滲透壓的大小 與溶質粒子數相關 與粒子種類則無關囉 也因為如此 滲透壓也被稱為具有依數性質 讓我們來總結一下這支影片的學習內容！ 半透膜根據結構不同 選擇性的允許某些分子或離子透過 普遍存在動植物當中 例如動植物的細胞膜、動物的膀胱膜及羊皮紙等 溶質濃度不同的兩溶液 中間隔有只允許水通過的半透膜時 水會自發性的藉由半透膜 由低濃度往高濃度的方向移動的現象 稱為滲透現象 當半透膜兩側溶劑進出速率相同達平衡時 兩側溶液產生的高度差即為滲透壓 滲透壓公式 π = iCᴍRT 是由荷蘭化學家凡特何夫經實驗結果提出 滲透壓大小與溶質粒子數有關 與溶質本性無關 具依數性質 同學們 你是否更清楚滲透壓與溶質、溶劑間的關係了呢？ 歡迎在影片下方留言區分享你的學習心得 我們下次見