溶质分子在半透膜之间的运动

A. 渗透中水和其他溶质分子通过半透膜这两个过程有什么关联

渗透中，只有水分子可以通过半透膜，而其他溶质分子不能通过半透膜；
水分子从纯水中或稀溶液中，向浓溶液中渗透。

B. 溶质运移基本方程

土壤及土壤水中含有溶质，它对于人类生活和生产活动都产生重要影响，不仅存在土壤盐碱化问题，而且还会发展成为更为广泛和深远的水土环境问题。土壤中的溶质运移十分复杂，一方面随着水分运动而做对流运动，另一方面沿着自身浓度梯度的反方向而做扩散运动。通常认为土壤中的溶质运移主要是通过对流和水动力弥散两种机理实现的。冻融过程中，由于冰以纯净相析出，所以冻融土壤中的溶质运移基本方程与非冻土相似，其作用机理仍为对流和水动力弥散。

1.溶质运移的对流和水动力弥散

（1）溶质的对流运移

对流是指在土壤水分运动过程中，同时携带着溶质运移。单位时间内通过土壤单位横截面积的溶质质量称为溶质通量，溶质的对流通量记为J_c。单位体积土壤水溶液中所含有的溶质质量，称为溶质的浓度，记为c。溶质的对流通量J_c为溶质浓度c和土壤液态水通量q_l的乘积，即：

水分在季节性非饱和冻融土壤中的运动

（2）溶质的分子扩散

溶质的水动力弥散包括溶质的分子扩散和溶质的机械弥散。溶质的分子扩散是由于分子的不规则热运动即布朗运动引起的，其趋势是溶质由浓度高处向浓度低处运移，以求最后达到浓度的均匀。当存在浓度梯度时，即使在静止的自由水体中，分子的扩散作用同样也会使溶质从较集中处扩散开来。自由水中溶质的分子扩散通量符合Fick第一定律，即

水分在季节性非饱和冻融土壤中的运动

式中，为溶质在自由水体中的分子扩散通量；D₀ 为溶质在自由水体中的扩散系数；为溶质的浓度梯度。

在土壤中，溶质的分子扩散规律同样符合Fick第一定律：

水分在季节性非饱和冻融土壤中的运动

式中，J_d为溶质在土壤中的分子扩散通量；D_s为相应的扩散系数。

即使在饱和土壤中，分子扩散系数D_s也远小于自由水体中的D₀值，原因是液相仅占土壤总容积的一部分。土壤处于非饱和状态时，随着土壤含水率的降低，液相所占的容积愈来愈小，实际扩散的途径愈来愈长，因此其分子扩散系数趋于减小。一般将溶质在土壤中的分子扩散系数仅表示为含水率的函数，而与溶质的浓度无关。常用的经验公式为：

水分在季节性非饱和冻融土壤中的运动

或

水分在季节性非饱和冻融土壤中的运动

式中，α，a和b均为经验系数。

根据文献介绍（Olsen等，1968），土壤水吸力在（0.3～15）×10⁵Pa的变化范围内，当b=10时，a值变化于0.001～0.005之间，土壤粘性愈大，a值愈小。

（3）溶质的机械弥散及水动力弥散

土壤中存在着大小不一、形状各异而又互相连通的孔隙通道系统。若将土壤孔隙设想为均匀的圆形毛管，半径为R_a，管轴线与势梯度方向一致。此时，管内半径为r的任一点的流速v（r）可表示为：

水分在季节性非饱和冻融土壤中的运动

式中，μ为溶液的粘滞系数为水势梯度。由上式还可导出管内的平均流速：

水分在季节性非饱和冻融土壤中的运动

以上两式即所谓的 Poiseuille方程。它表明平均流速和圆管的半径R 的平方成正比，若孔隙半径相差10倍，其平均流速则相差 100 倍。另外，管内流速分布也是不均匀的，管中心处的流速最大，管壁处流速为零。

由于土壤颗粒和孔隙在微观尺度上的不均匀性，溶液在流动过程中，溶质不断被分细后进入更为纤细的通道，每个细孔中流速的方向和大小都不一样，正是这种原因使溶质在流动过程中逐渐分散并占有越来越大的渗流区域范围。溶质的这种运移现象称为机械弥散。宏观上土壤水分流动区域的渗透性不均一，也可促进或加剧机械弥散的作用。

由机械弥散引起的溶质通量J_h可写成类似的表达式：

水分在季节性非饱和冻融土壤中的运动

式中，D_h（v）为机械弥散系数，一般表示为渗流速度v的线性关系，即：

水分在季节性非饱和冻融土壤中的运动

式中，a为经验系数，与土壤质地和结构有关。

分子扩散和机械弥散的机理是不同的，但式（6.40）与式（6.45）的表达式相似，而且一般都同时存在，实际上难于区分。因此，将分子扩散与机械弥散综合，称为水动力弥散。水动力弥散所引起的溶质通量J_D可表示为：

水分在季节性非饱和冻融土壤中的运动

式中，D_sh（v，θ）称为水动力弥散系数，或综合扩散-弥散系数。

当对流速度相当大时，机械弥散的作用会大大超过分子扩散作用，以致水动力弥散中只考虑机械弥散作用；反之，当土壤溶液静止时，则机械弥散完全不起作用只剩下分子扩散了。

2.溶质运移的基本方程

在直角坐标系中，取与图6-5相似的微单元体，x，y，z方向上的尺度分别为Δx，Δy，Δz。以液态水的溶质浓度c（g·L^-1）作为溶质运移方程的因变量。设x方向上溶质的弥散通量为q_cx，y方向和z方向上溶质弥散通量分别为q_cy和q_cz，冻土中冰的溶质含量近似为0，当液态水沿x、y、z三个方向分别以q_lx、q_ly、q_lz流进或流出单元体时，流体沿x、y、z三个方向所携带的溶质分别为（q_lx ρ_cc）ΔyΔz、（q_ly ρ_cc）ΔxΔz和（q_lz ρ_cc）ΔxΔy，其中ρ_c为水溶液的密度。土壤中的溶质通量是由分子对流和水动力弥散所造成的，因此在Δt时间内沿x、y、z三个方向进、出微单元体的溶质质量差总计为：

水分在季节性非饱和冻融土壤中的运动

而微单元体内土壤的溶质含量变化率为：

水分在季节性非饱和冻融土壤中的运动

假设土壤水溶液密度在计算过程中不发生变化，根据微单元体内质量守恒原理可得：

水分在季节性非饱和冻融土壤中的运动

在冻融条件下，溶质通量除了受溶质浓度梯度的影响外，还受温度梯度的影响。因此，冻融土壤溶质通量可表示为：

水分在季节性非饱和冻融土壤中的运动

当土壤为各向同性时，上式中D_shx=D_shy=D_shz=D_sh，D_sTx=D_sTy=D_sTz=D_sT，它们分别为液态水中溶质在浓度梯度及温度梯度作用下，沿x，y，z方向上的水动力弥散系数。将式（6.49）代入式（6.48）可得到考虑温度梯度影响的溶质运移基本微分方程：

水分在季节性非饱和冻融土壤中的运动

在适当的条件下，土壤内部由于化学、生物作用会生成某些溶质（如有机质的硝化作用所产生的硝酸盐离子）。在有些条件下，同一剖面内某些溶质又可能从土壤中消失（如硝酸盐被植物所吸收）。若要考虑上述种种情况，则需在基本方程（6.50）中加上源汇项S_c，即：

水分在季节性非饱和冻融土壤中的运动

S_c为单位时间内单位体积土壤中所生成或消失的溶质的质量。为适用一般情况，设有n个可能的源及m个可能的汇，S_c为其总合，即：

水分在季节性非饱和冻融土壤中的运动

在研究土壤的溶质运移时还应考虑一种可能性，即土壤液相之外溶质的动态变量。例如，当溶质的浓度超过了溶剂（水）的溶解度时，溶质便会沉淀在土壤中；反之，当浓度较低时，储存于土壤中的溶质又会被溶解。土壤固相对土壤溶液中某些离子产生的吸附和解析作用亦属此类。此种情况不同于源汇项，溶质既没有产生，也没有消失，所表现出的是单元体内部液相以外溶质储存量的变化。若以σ_c表示单位体积土壤中液相以外溶质质量储存量，则为其变化率。于是，包括对流-弥散、源汇和动态储存的土壤中溶质运移基本方程可写为

水分在季节性非饱和冻融土壤中的运动

溶质的沉淀溶解、吸附解析和生成消失一般都和溶质的浓度及土壤含水率有关，显然比较复杂，目前只有一些初步的模式。

综上所述，土壤中的溶质运移问题非常复杂。即使是一维的对流-弥散型方程也难以解析求解，目前，一般绝大部分计算都采用数值方法求解。近年来，不少研究者利用前述方程或类似的方程描述在可控条件下实验室土柱的溶质运动。田间实际条件下的验证，还有待深入研究和完善。

3.冻融土壤中溶质运移与水分运移的关系

土壤中水分（水溶液）的运动及其引起的含水率分布的变化，对土壤中溶质运动的影响是明显的。不仅土壤水分运动通量对溶质的对流有直接影响，而且由于土壤水分孔隙流速的差异，因而土壤水分运动通量q及其含水率θ对水动力弥散的作用也是显著的。此外，溶质的源汇及动态储存，一般也都和土壤的含水率有关。因此，溶质运移的研究必须在研究土壤中水分运动的基础上进行。

问题的另一方面是溶质对土壤水分运动的反作用。土壤水分运动的驱动力是水势梯度，而土壤水中因溶质存在便产生土水势的分势——溶质势Ψ_s。溶质浓度为c的单位体积土壤水分的溶质势Ψ_s=-（c/μ）RT_k，T_k为绝对温度。单位重量土壤水分的溶质势Ψ_s（cm）可写为

水分在季节性非饱和冻融土壤中的运动

式中，g为重力加速度；μ为溶质摩尔质量（g/mol），数值上等于溶质分子量；R为通用气体常数。

当存在半透膜时，溶质势的梯度会引起水分的流动。一般认为，土壤中的粘土层具有一定的半透膜作用。如果土壤基质的半透膜作用能够部分阻止溶质通过，则由溶质势梯度引起的土壤水分运动和由同样大小的基质势或重力势梯度引起的水流运动是等价的。当只考虑一维垂直流动时，达西定律可写为：

水分在季节性非饱和冻融土壤中的运动

式中，f₀称为渗透有效系数，也可称为选择系数。当f₀=1时，表示完全选择，即水可通过而溶质不得通过，溶质势梯度对水流运动是完全有效的；当f₀=0时，表示不加选择，即水与溶质都能通过，溶质势梯度对水流无影响。

溶质对土壤中水流运动的影响还表现在溶质的存在导致土壤渗透性的降低。比如，溶质浓度的变化会改变溶液的粘滞性。目前，关于溶质对饱和土壤导水率的影响有一些研究，但对非饱和土壤导水率的影响则研究甚少。

严格地讲，田间土壤水分运动和溶质运移是互相联系、互相影响的，溶质运移的计算需联立求解水分迁移、溶质运移两个微分方程和联系方程。当只考虑溶质运移，不考虑温度对溶质和水分运移以及溶质势梯度对水流的影响时，非饱和冻融土壤介质中溶质运移模型为：

水分在季节性非饱和冻融土壤中的运动

上式也可用于非冻结土壤的溶质运移，此时θi=0。

4.非饱和冻融土壤水热盐运移耦合模型

综合起来，当不考虑土壤特性的各向异性时，非饱和冻结土壤的水热盐运动耦合模型由水、热、溶质运移基本方程联立组成：

水分在季节性非饱和冻融土壤中的运动

利用上述模型即可求解冻融过程中土壤水分、温度和盐分的时空变化问题。模型中所涉及的土壤参数如土壤比热容C_s，热导率λ，非饱和导水率K，温差作用下的水扩散率D_T，水扩散率D和在浓度梯度及在温度梯度作用下的盐分水动力弥散系数D_sh及D_sT等可通过对给定土壤进行实验测定或按经验公式计算确定。

C. 渗透压是指溶质分子通过半透膜的一种吸水理论其大小取决于

书上表述有误,并不严谨.血浆渗透压主要是晶体渗透压,而血浆胶体渗透压的主回要成分是血浆白答蛋白.
血浆渗透压分为晶体渗透压和胶体渗透压两部分,
晶体渗透压——维持细胞内外水平衡
胶体渗透压——维持血管内外水平衡

D. 溶质分子透过半透膜叫不叫渗透作用

根据渗透作用发生的条件：：①半透膜；②半透膜两侧有浓度差．选项ABC都属于渗透作用，细胞壁是全透性的，水通过细胞壁不属于渗透，D正确．
故选：D．

E. 关于半透膜渗透压

半透膜是选择透过性膜，根据分子运动论，只有水分子能透过半透膜，而葡萄糖是单糖，蔗糖我没记错的话是多糖，而葡萄糖是百分制10的溶质，那么电性来说就是蔗糖的高，所以最后蔗糖的上升，葡萄糖页液面下降

F. 渗透作用的根本原因使溶质分子对水的吸引力吗

是的。
渗透压产生的根本原因是溶质分子“束缚”了水分子的运动

G. 透压指的是溶质分子通过半透膜的一种吸水力量，其大小取决于溶质颗粒数目的多少，而与溶质的分子量、半径

书上表述有误，并不严谨。血浆渗透压主要是晶体渗透压，而血浆胶体渗透压的主要成分是血浆白蛋白。
血浆渗透压分为晶体渗透压和胶体渗透压两部分，
晶体渗透压——维持细胞内外水平衡
胶体渗透压——维持血管内外水平衡

H. “水分子从水势高的系统通过半透膜向水势低的系统移动的现象，就称为渗透作用(osmosis)。”中“

首先，分子在绝对零度之上都存在热运动，其具有扩散均一性，即溶质在溶内剂中各处浓度相容同，半透膜能允许溶剂分子通过，不允许溶质分子通过，而两侧液体溶质浓度有不同，就形成了势能，即溶质的浓度差提供的扩散势能，即所谓的水势。总体感觉楼主上面引用这段话的作者物理课是体育老师教的。

I. 关于渗透作用分子运动的原理 渗透作用中溶质无法通过 假设溶剂为水 有些解释是说 高浓度溶液的溶质吸

溶质分子是大分子，水分子较小，半透膜就是筛子，当你想水分子做布朗运动过程受溶质的分子作用力吸引，从细微的角度简单来说，低浓度的水自由运动到高浓度的地盘，被溶质留住，这种情况其实两边都有，但是高浓度留住水的概率高于低浓度，所以留的谁就多了

J. 为什么渗透作用必须通过半透膜而扩散作用则非必须

所谓扩散作用，抄就是从高浓度向低浓度运动的过程，应该是一种分子运动；我们举一个例子，我们拿一个盛有硫化氢的瓶子，在讲台上打开，首先，讲桌周围的同学先闻到‘臭鸡蛋’味道，后面的同学也逐渐的闻到‘臭鸡蛋’的味道，这一个过程就是一个扩散的过程。渗透作用是指两种不同浓度的溶液（溶质分子不能通过半透膜），通过半透膜的扩散，中间的半透膜要对溶质分子有隔离作用的，这和细胞膜的功能相似，我们可以把细胞看做一个渗透系统。不知道这样说你是否明白，祝你进步。