渗透压研究历史浅析与高中生物学相关教学的建议

杨洪斌 孙 锦

(重庆市第七中学校 400030)

1 渗透压的研究历史

渗透作用是溶剂分子通过半透膜向高浓度溶液一侧进行扩散的一种现象。最早记载渗透现象的是安托万·诺莱(Abbé Nollet)，他在1748年发现水能透过猪膀胱扩散到酒精溶液内。1877年，德国植物学家弗菲尔(Pfeffer)用亚铁氰化铜制成半透膜，这种膜只能让水分子通过，而糖不能通过。他利用这种半透膜做了很多实验，并总结出两个规律：①在一定温度时，稀溶液的渗透压力与溶液的浓度成正比；②在浓度一定时，稀溶液的渗透压力与热力学温度成正比。1884年，荷兰植物学家德·福利斯(de Vries)研究了等渗溶液，并将实验的结果通报给化学家范托霍夫(van′t Hoff)。接着，范托霍夫对难挥发非电解质稀溶液的渗透压力与溶液浓度和热力学温度的关系，从理论上推导出以下公式：π=CRT= nRT/V(π为稀溶液的渗透压，V为溶液的体积，C为溶液的浓度，R为气体常数，n为溶质的物质量，T为绝对温度)。这个公式是范托霍夫在理想液体状况下推导出来的，即：在0℃下，1 mol的溶质溶解在1 L的溶剂的渗透压为22.4 atm。尽管实际的渗透压还是比较复杂，但这个公式已经是最接近真实情况的了。1901年，他由于“发现了溶液中的化学动力学法则和渗透压规律以及对立体化学和化学平衡理论作出的贡献”，成为第一位诺贝尔化学奖的获得者[1]。

2 电解质和非电解质形成的渗透压的区别

非电解质是指在水溶液中或熔融态下不导电的化合物，如蔗糖、葡萄糖等；电解质是指溶于水溶液中或在熔融状态下能够导电(自身电离成阳离子与阴离子)的化合物，两者在溶液中都可构成溶液的渗透压。例如，在U形管中央放上半透膜，一边是糖溶液，一边是纯水，可以看到糖溶液一边的液面升高，而升高的高度就构成了糖溶液的渗透压。若要测试渗透压的大小则只需要在糖溶液一侧给予一个外加的压力，当压力刚好能使糖溶液的液面回到原来的位置时，此时的压力即是当前渗透压。

电解质在溶液中是以离子的形式形成渗透压，而非电解质是以分子的形成构成渗透压。渗透压的形成与分子和离子的大小无关，而是与单位体积溶液中离子或分子的数量(溶质微粒的数目)有关，即溶液中离子和分子的物质的量浓度构成溶液的渗透压。溶质微粒的数量越多，对水分子的吸引力越大，其渗透压就越高。

3 渗透原理的应用

3.1 利用渗透原理来发电 2009年挪威率先尝试使用渗透发电，当时的发电功率很小，但是通过估计，若世界范围都采用这种方式发电的话，则是一个很大的量。渗透发电的原料是海水和淡水。其原理是：当淡水和海水流入时，海水一边的渗透压高，淡水一边的渗透压低，就导致淡水中的水分子通过半透膜进入海水一侧的多，使得海水一侧液面升高，从而推动发电的涡轮机的旋转，进而转化成电能(图1)。整个过程没有任何污染，是一种良好的清洁能源。

图1 渗透发电示意图

3.2 利用渗透原理纯化饮用水 正常情况下，水分子会向渗透压比较高的地方转移，导致渗透压高的一面液面升高；而反渗透作用采用的方法是把需要纯化的水放在渗透压高的一边，然后外加一个相当于静水压的压力，使水分子通过半透膜进入渗透压低的一边，从而达到净化水的目的(图2)。根据该原理，工业上往往通过多次的反渗透作用来纯化水。

图2 渗透作用与反渗透作用示意图

4 高中生物学渗透压相关内容的教学建议

高中生物学有关渗透压的知识点在必修教材中共有3处，分别出现在必修1“细胞中的无机物”“物质跨膜运输”以及必修3“细胞生活的环境”中。在必修1中的两处完全没有提及渗透压的概念，但是学生在理解和做作业的过程中又必须涉及渗透压。此时，教师应该通过感性的举例来解释渗透压。例如，举例说明红细胞在低浓度溶液中发生溶血以及在高浓度溶液中细胞发生皱缩等，是由于半透膜两边的溶质微粒的浓度差导致的，从而使水分子有进入高浓度溶液的趋势，微粒浓度越高渗透压越高。而到了高二必修3时，教材上已有渗透压的定义，但很简短且抽象，然而却是重点，这时需要结合渗透压研究的历史和原理讲解清楚什么是渗透压，渗透压与哪些因素相关。并举一些如水纯化、植物体根部通过渗透作用来吸收水分、加糖使水果渗透失水干燥来达到保存的目的等应用实例，以使学生加强理解。