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关于新渗透压定律的量纲问题,本文拟从两个角度初步论证:
一是公式里每个参数到底是什么意思,本身对应什么单位;
二是把这些单位套进公式算一遍,看前后能不能对得上;
众所周知,经典范特霍夫渗透压公式π=cRT,其实只有在溶液特别稀的时候才准,要是溶液浓度高、用这个公式算出来的结果偏差就很大。新的渗透压定律是从"半透膜的有效面积会被溶质分子占掉"这个角度出发,提出了一个能适用所有浓度的通用公式:
π = [P₀k[Ci] / (1 - k[Ci])] × (T/T₀)
这个公式算出来的结果准,但里面多了几个新参数,就须证明其量纲自洽性,接下来我们就把每个参数拆开进行分析。
新公式里所有参数都是从它本身的物理意义来的:
渗透压π:和咱们以前学的定义完全一样,就是渗透平衡的时候,半透膜两边的压力差,单位是压强单位Pa。
渗透力常数P:这个其实就是标准大气压,指的是常温298K、正常大气压下,单位面积的半透膜上,溶剂分子碰撞产生的压力,单位也是Pa。
溶质浓度ci:是溶质物质的量浓度,和课本里的定义完全一样,单位是mol⋅m−3,也就是每立方米溶液里有多少摩尔的溶质。
膜面积占据系数k:这个是新参数。单位是m2⋅mol−1,也就是每摩尔溶质分子能占多少平方米的膜面积。
热力学温度T与参考温度T0:两个都是温度,单位是开尔文K。其中T就是固定的298K常温,两个温度相除之后,单位就约掉了,就是个没有单位的纯数字。
我们现在把每个参数的单位代入公式右边,一步步算:
首先看cik这部分,单位是mol⋅m−3(每立方米多少摩尔)乘以m2⋅mol−1(每摩尔占多少平方米),乘完之后摩尔单位约掉了,剩下的是m−1。这里有个很容易被忽略的前提:为了便于理解后计算,我们计算的时候默认的是"1立方米的溶液对应1平方米的半透膜",所以cik其实算的就是溶质分子占了半透膜总面积的比例,是个百分之多少的数,没有单位。
分母是1−cik,算的是剩下的、还能让溶剂分子通过的有效膜面积占总膜面积的比例,同样也是个没有单位的比例数。
温度比值T/T₀,两个温度单位约掉,也是没有单位的纯数字。
整个公式右边,只有P是带单位的,单位是Pa,和后面几个没有单位的比例数相乘之后,单位还是Pa,和左边渗透压π的单位完全一样,没有任何冲突。
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