滲透壓（二）

滲透壓 (Osmotic Pressure)（二）
東京大學理學博士陳藹然/國立臺灣大學化學系黃俊誠博士責任編輯

德國植物學家浦菲弗 (Wilhelm Pfeffer, 1854−1920)在1870年代，利用德國生理化學家特勞貝(Moritz Traube，1826−1894) 製造的半透膜，做了蔗糖溶液的滲透壓之定量研究。後來荷蘭的植物學家德弗里 (Jugo Mariede de Vries, 1848−1935) 在研究植物的枯萎現象時發現，當植物浸於純水中，植物會膨脹浮腫，若是改將植物浸於高濃度溶液時，植物會很快枯萎，只有將植物浸泡於適當濃度的溶液中，植物的細胞膜可維持正常。根據以上的觀察結果他推測：只有在植物細胞膜內外溶液的滲透壓相當時，細胞才能維持不被破壞。由此可知，滲透壓在生物學、生物化學和藥學上具有重大意義。

相似的現象也出現在紅血球細胞（Red blood cell）的實驗中，見圖一。當紅血球放在低濃度的鹽類溶液中，紅血球內部的滲透壓和外部相同，水進出紅血球細胞膜的速度相同，因此細胞形狀維持不變，我們稱此濃度的溶液為「等張溶液」或「等滲透壓溶液」（Isotonic solution or Isotonic medium）。一般紅血球的等張濃度的滲透壓約為0.30 osmol。如果將紅血球細胞放入0.15 M NaCl溶液中（生理食鹽水），紅血球不會受傷變形，因為生理食鹽水的滲透壓為0.30 osmol 和細胞質（Plasma）相同。

若將紅血球細胞放入高濃度溶液中，高濃度溶液的滲透壓比細胞質大（稱此溶液為「高張溶液」或「高滲透壓溶液」（Hypertonic solution or Hypertonic medium））細胞內的水透過細胞膜進入高張溶液中，細胞脫水變形，這過程稱為「皺縮」（Crenation）。反之將紅血球放在低於0.30 osmol 溶液中，即「低張溶液」或「低滲透壓溶液」（Hypotonic solution or Hypotonic medium）中，從溶液中穿透細胞膜進入細胞的水量遠比從細胞進入溶液的水量多，細胞因而膨脹破裂，此謂「紅血球溶解」（Hemolysis）。

高張溶液的理論也應用在食物如水果等的保存上。果醬和果凍中常加入大量的糖，這些糖不只是為了讓食物有甜味，更是為了保持食品處於高滲透壓的狀態，即使有少許在高溫殺菌過程中殘留的細菌，這些細菌也會因處於高滲透壓的的環境中而脫水，生長受到抑制。鹽醃漬的食品如火腿、培根等都是利用相同的原理。

樹木運送水分從樹根到數枝和葉子，靠的也是滲透壓。葉子因為蒸散作用損失水分，於是葉子內的鹽分濃度提高，高濃度溶液使滲透壓變大，形成水由樹根往樹葉流動的動力來源。

請參考 滲透壓 (Osmotic Pressure) （一） 閱讀

參考資料
1. 趙匡華，化學通史，凡異出版社，第531頁，1992.
2. Osmosis WebQuest. https://www.msu.edu/~knickerk/webquest/ … acher.html
3. John McMurry, Mary E. Castellion, David S. Ballantine; “Fundamentals of General, Organic, and Biological Chemistry”, 5th edition, Pearson, pp. 282, 2007.
4. B. Averill, “Chemistry, Principles, Patterns, and Applications”, Pearson, pp. 604, 2007.