渗透现象思维导图

• 定义

  • 水或溶剂分子通过半透膜
  • 从水势高（浓度低）的区域
  • 流向水势低（浓度高）的区域的现象

• 核心要素

  • 半透膜 (Semipermeable Membrane)
    • 特性：允许溶剂分子通过，阻止或极少允许溶质分子通过
    • 构成：生物膜（细胞膜、液泡膜）、人工膜
  • 两侧溶液存在浓度差 (Concentration Difference)
    • 导致水势差 (Water Potential Difference)

• 驱动力

  • 水势差 (Water Potential Difference)
    • 水势 = 渗透势 + 压力势
    • 净水流方向：从水势高到水势低
  • 渗透压 (Osmotic Pressure) - 概念上的驱动力或阻止渗透所需的压力
    • 与溶液浓度成正比
    • 高浓度溶液的渗透压高

• 相关概念

  • 水势 (Water Potential, ψw)
    • 单位体积水中自由能的大小
    • 纯水的水势定为零（标准状态）
    • 加入溶质使水势降低（渗透势 ψs 为负值）
    • 施加压力使水势升高（压力势 ψp 为正值，如膨胀压）
  • 渗透势 (Osmotic Potential, ψs)
    • 由溶质浓度决定的水势组分
    • 总是负值或零
  • 压力势 (Pressure Potential, ψp)
    • 由机械压力决定的水势组分
    • 细胞壁的抵抗力产生膨胀压（正值）
    • 负压（张力）也存在（如植物木质部导管）
  • 膨胀压 (Turgor Pressure)
    • 植物细胞在低渗溶液中吸水后，细胞质体对细胞壁产生的压力
    • 是压力势的一种形式
  • 扩散 (Diffusion)
    • 分子从高浓度区域向低浓度区域的随机热运动
    • 渗透是扩散的一个特例 (溶剂分子，半透膜)
  • 反渗透 (Reverse Osmosis)
    • 在外加压力大于渗透压时
    • 水分子通过半透膜从高浓度流向低浓度区域的现象
    • 用于海水淡化

• 溶液类型与对细胞的影响

  • 等渗溶液 (Isotonic Solution)
    • 与细胞内溶液渗透压（或水势）相等
    • 动物细胞：形态正常
    • 植物细胞：形态正常，水流进出速率相等
  • 高渗溶液 (Hypertonic Solution)
    • 渗透压高于细胞内溶液（水势低于细胞内）
    • 动物细胞：失水，皱缩 (Crenation)
    • 植物细胞：失水，质壁分离 (Plasmolysis)
      • 原生质层与细胞壁分离
      • 细胞失水萎蔫
  • 低渗溶液 (Hypotonic Solution)
    • 渗透压低于细胞内溶液（水势高于细胞内）
    • 动物细胞：吸水，溶胀，甚至破裂 (Lysis)
    • 植物细胞：吸水，膨胀 (Turgor)，产生膨胀压
      • 细胞壁阻止过度吸水和破裂
      • 维持细胞挺直状态

• 影响渗透速率的因素

  • 浓度差大小 (Concentration Gradient Magnitude)
  • 半透膜的性质 (Membrane Properties) - 孔径、厚度、通透性
  • 温度 (Temperature) - 影响分子运动速率
  • 表面积 (Surface Area) - 接触面积越大，速率越快
  • 压力差 (Pressure Difference) - 可抵消或逆转渗透

• 生物学意义

  • 植物
    • 根细胞吸收土壤水分
    • 维持细胞膨胀状态，保持植物形态挺立
    • 物质在细胞间的运输与分布
    • 气孔的开闭（保卫细胞的膨胀与收缩）
  • 动物
    • 细胞维持正常形态和功能
    • 体内水分平衡与调节 (如肾脏对水分的重吸收)
    • 营养物质和代谢产物的运输
    • 血液渗透压的稳定

• 实际应用

  • 海水淡化 (Desalination) - 利用反渗透技术
  • 食品保鲜 (Food Preservation) - 高盐或高糖环境下，微生物失水死亡 (如腌制、蜜饯)
  • 医药领域 (Medical) - 静脉输液（使用等渗溶液），渗透泵控释药物
  • 人工肾脏 (Artificial Kidney) - 渗透和扩散原理清除血液废物
  • 化工分离 (Chemical Separation) - 膜分离技术

• 渗透压的测量

  • 渗透压计 (Osmometer)
  • 冰点下降法
  • 蒸汽压法