為什麼濃度不同的溶液中，水分子總是向濃度高的地方流，比如細胞？

12-29

如題，比如植物細胞中，當外界各種鹽濃度高時，細胞內的水分子會向外流，產生質壁分離的現象。
我想問為什麼會這樣？從微觀的角度來看，水流流動難道不需要什麼外力，自然而然「檢測」到濃度不同就開始自動平衡了嗎？
小弟不是很理解感到很奇怪，請諸位解答！

宏觀上講，熱力學告訴我們，一個體系自發的是趨向於混亂無序狀態的。
樓主的體系中，細胞內外有濃度差，這是一定程度上的有序狀態，所以體系就會有一個自發的想無序狀態的推動力，在此例子中表現為滲透壓。
有推動力就有阻力，水分子通過細胞壁，必然產生一個壓力降，這個壓力降低的大小就是阻力。
只有推動力大於阻力時才發生水分子的移動（宏觀上的有序運動，微觀上正方向和方向遷移同時存在，區別是速率大小的問題。
這樣下去，內外濃度差逐漸減小，推動力跟著變小，直到推動力不足以克服阻力後達到平衡狀態。

微觀上講，分子在做無規則運動。而細胞膜只允許水分子通過。
由於細胞膜兩邊水分子的密度不一樣，換言之有溶質的那邊溶質分子稀釋了水分子。這樣水分子密度大的那邊單位時間就有更多的水分子想密度小的那邊運動，表現出來的就是樓主說的那樣了。

說的符號化一些就是有個叫做化學勢的東西。物質總是自發的從化學勢高的地方向化學勢低的地方運動。

謝謝指正，修改一下。
細胞膜不僅僅細胞膜不僅僅只允許水分子通過，還允許它選擇的離子通過。在溶質是這類離子時，這些離子宏觀上是自發向水分子的反方向遷移的。原因和上面相同，區別是溶質濃度高的地方溶劑濃度就更低。

這個答案的淺顯易懂版本可以從Principles of Physiology中大概翻譯過來……用我自己的理解。
看圖說話：

圖片引自Hartnell College Biology Tutorials
半透膜（如細胞膜）左右兩邊是濃度不同的溶液。
首先理解一點，濃度不同的溶液也即濃度不同的水。就是把溶質和溶劑的概念倒一倒嘛。
再假設膜兩邊的溶液里其他溶質都不跨膜~要做最簡單情況的假設嘛。
再再假設這個膜本身是對水分子通透的，也不考慮膜上面什麼通道蛋白啊什麼的存在。
左圖裡面半透膜左邊水分子數目m比較多，膜右邊水分子數目n比較少。(m&>n)
相同條件（恆溫等壓blablabla……）下，由於分子無規則的熱運動~兩邊的水分子都有可能通過半透膜跑到另一邊去，對吧。
然後，在一段時間t內，膜左右兩邊的水分子跑到對面的可能性p都應該是一樣的，對吧。
那麼，從左圖開始，過了t這麼長的時間後，膜左邊的水分子跑到右邊的數目是p·m，沒錯吧。
右邊的水分子跑到左邊的數目是p·n，對吧。
好咯，既然0&

0，有p·m&>p·n，對吧。
所以左邊的水分子自然跑到右邊的多咯~~~最終達到平衡，左右兩邊一樣的話，p·m=p·n，就動態平衡啦~(≧▽≦)/~
總結就是：濃度高的分子跨膜進入濃度低的區域的可能性比反過來的情況要大。直到達到平衡態，因為兩邊的分子跨膜的可能性都相同了。
（這麼簡明的解釋真是太天才了啊我好愛我們的生理學教材！）

水分子在不停地動.
水分子從多的地方移動到少的地方的概率大.

這樣吉布斯自由能的變化是負值。印象中所有的物化書上都有這段。

由熵增加原理可知，孤立系統的熵值永遠是增加的。

這裡的「熵」，可以是熱力學熵或香農信息熵。

我們從信息熵的角度來看看，是否擴散前到擴散後信息熵增加了：

如果把一個細胞分為兩半，左邊為A，右邊為B。假設B的濃度比A高，則水分子由A向B擴散。
我們把問題極端化：
假設擴散開始前水分子全在A半邊，B半沒有水分子；擴散達到平衡太后，A和B半各有1/2的水分子，則：

在初態，隨機挑選一個水分子，它在A的概率為1，在B的概率為0；
初態的信息熵為： $frac{1}{1}log_{2} frac{1}{1/1} =0$
在平衡態，隨機挑選一個水分子，它在A的概率為1/2，在B的概率為1/2。
平衡態的信息熵為： $frac{1}{2}log_{2}frac{1}{1/2} +frac{1}{2}log_{2}frac{1}{1/2} =1$
可見擴散過程中熵值是增加的，即系統所攜帶的信息是從小到大變化的。

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才知道知乎的公式是用tex編譯的，怒贊！

熵增

水分子為什麼從濃度低的地方自發向濃度高的遷移，問的是動力學的推動原因。如果你從化學勢、自由能、熵等角度出發去解釋，是答非所問，因為它們都是熱力學概念。熱力學的語言，「化學勢低」「熵增」等，描述的是濃度或者分子在不同狀態的分布差異，而不是解釋其分布偏向的原因。（比如，「熵」的本質是微觀狀態數目，「熵增」是指在可及狀態的數目增多。這並非是解釋為什麼總的可及狀態數目增多了。）要解釋樓主的問題，「水分子的自發流動的原因」，必須從微觀分子動力學角度出發。

在細胞中，如果外界鹽離子濃度高，水分子從細胞內向外擴散。那麼這個驅動力是，鹽離子和水分子的作用，要比水分子和水分子之間的作用更大，英語叫preferential interaction，即作用力差導致的傾向性。比方說，男人堆里的男人傾向於跑到女人多的人堆里。為什麼？因為女人對男人的吸引力，比男人對男人的吸引力要大。你說，這都隔著一層細胞膜呢，你那邊的水分子怎麼知道這邊缺水？問的好。其實那邊的水分子並不知道這邊缺水，它只是到處亂跑，看哪裡缺水就待下來。換句話說，運動是隨機的，結果卻是定向的。

那麼，為什麼「鹽離子和水分子的作用，要比水分子和水分子之間的作用更大」？因為，水分子與水分子，只是單純的氫鍵作用，量級在1～10kcal/mol；水分子與離子的作用，是氫鍵加靜電雙重作用，量級在幾十個kcal/mol。因此，在微觀上，離子與水分子會形成團簇，即十幾個水分子包裹一個離子形成水合殼層，然後整個團簇在水溶液中一起運動。正是這個微觀水分子的隨機擴散運動和離子水合的共同作用，導致了在有濃度差的體系中，水分子被留在離子多的地方，最終形成了宏觀上觀察到的定向運動。離子水合團簇是物理化學研究的經典話題，現在仍然有很多人在研究。不同離子的水合能力，水合殼層中水分子與自由水分子的交換時間等都是研究內容。

額，學校里的東西都快全部還給老師鳥。。。
我的感覺是：不管水溶液里溶解的是分子還是離子狀態的物質，在這個溫度跟氣壓以及濃度下，它是可溶於水的，也即是溶質分子或離子之間的作用力弱於水分子間的（氫鍵好強大的）；在熱運動下，這些作用力有平衡的需要（否則就是不穩定的），水分子當然去找作用力更強的其他水分子搞基，而溶質分子或離子就在這個熱鬧的聯誼中被打散均一的分散開了，這個時候明顯水是朝著濃度高的地方流的。
但是我感覺有例外，就是改變溶質（常溫固態的溶質）在水中的溶解度時（如降低溫度使溶質析出時），此時這些好基友們已經容不下那麼多打醬油的了，那麼在固液界面不斷有水分子被推出來，這時是否就是水從高濃度的地方流向低濃度了呢？

濃度高就表示水分子的濃度低，濃度低就表示水分子的濃度高，對水分子而言肯定是從高濃度向低濃度流...

如果你高中學理科的話，你會知道，物理有楞次定律，對，就那個增反減同，來拒去留的那個；化學有反應平衡，此類等等，你會發現他們都是在往穩定的狀態變化，趨於穩定。所以我一直感覺這是一種規律。質壁分離中，外界濃度高，內部濃度低，二者若要平衡，必然要外界濃度適當降低，內部濃度適當升高，而使外部濃度降低，就需要水分子過去，內部濃度升高，就要水分子出去，於是就有質壁分離了。
我只會這種站在高中的知識上解釋的，不知道你是不是能理解。

文科生告訴你我們是如何理解這種高大上的問題的。
濃度高的液體我們理解成是溶質多。你可以把溶質誇張理解成小石塊，把水誇張理解成是沙。
沙自然是像石塊多的地方流啦~石塊多的地方有縫隙嘛~
我知道，這個比喻有很多漏洞
不要在意那些細節啦~
要不然你咬我啊~

沒人覺得是因為滲透壓嗎？！

把水分子看做溶質，以前的溶質看做溶劑。

濃度小的溶液，代表水的濃度大，水由濃度大的向濃度小的流動，這很正常。

有重力啊!

首先回答「為什麼會這樣」：上面很多位朋友已經說到了濃度梯度的問題，一般來說，物質的擴散都是損濃度梯度的，也就是從高濃度到低濃度。在你舉的質壁分離例子里，外界鹽溶液濃度高時，可等價轉述為「細胞外水的濃度低，細胞內水的濃度高」，於是乎水從細胞內流向細胞外。
接下來回答圍觀「力」的問題。不知道你有沒有學過「力與勢能的關係」。例如，距離地面一定高度的物體，在重力F的作用下，若高度降低dx,相應的勢能（在這裡你可以理解為僅僅是重力勢能）減小dE,則作用在該物體上的力定義為：F= —dE/dx 式中，負號表示物體由勢能高處往勢能低處運動。在溶液中，每一種組分，不管是氫離子，氫氧根離子，鋅離子等等，都具有一個「化學勢」，也即化學上的等價勢能。顯然，對此勢能的倒數也是一個力，這個力就是擴散的驅動力。於是，擴散的本質是:沿化學勢降低的方向（就像水往低處流，為重力勢能降低的方向）。這也之前為何說」一般情況下「沿濃度梯度，因為某些特殊的情況下化學勢降低的方向與濃度梯度不一致。這個要說明就更複雜了。我想到此為止，依然可以解決疑惑了吧？

這麼多的答案就沒有一個提到計算濃度時水是分母么？

詳情請看人教版高中一年級生物課本細胞篇章和化學課本溶液篇章。對於某回復者的「精彩簡明」版答案我就不多「讚揚」了，太裝逼了

我通俗的解釋下：
水是可以自由流動的溶液，在底濃度的地方，水的比例大，在高濃度的地方，水的比例小，把水當作自由移動的，於是從比例大的地方移動到比例小的地方，直到平衡

大自然的任何一個系統中，熵總是趨於增加的。高濃度的區域，相對於低濃度區域來說，更加有序。