洞悉“渗透作用”原理，寻找解题通法

>>>王 静 李立娜

渗透作用是水分子进出细胞的方式之一，属于次位概念。该概念的理解能帮助学生形成“细胞的生存需要能量和营养物质”的生命观念。对于渗透作用，高考要求学生能在较复杂的情境中综合运用有关知识进行分析、判断、推理和评价。从近5 年高考试题看，渗透作用的考查频率较高，主要以选择题的形式呈现，具体请见下表：

表1 近5年高考对渗透作用考查的情况

命题人常结合质壁分离实验情境设计试题，考查学生对实验结果的分析和判断，重在培养考生科学思维和科学探究的核心素养。

分子运动属于微观领域，很难用肉眼直接观察，学生在已有认知的基础上理解渗透作用时会有一定的难度。加之物质运输还会涉及不同种类的分子（如蔗糖、葡萄糖、蔗糖酶、水分子等）运动，以及一些细胞内的生物化学反应，学生想要透彻理解较为困难。要想理解细胞的渗透作用，就有必要从渗透装置的分析寻找突破点，由浅入深，由非生物的模拟实验推理并归纳出生物世界的规律。对于渗透装置的理解和应用，只要能把握住几个关键点，难题就会迎刃而解！下面我们结合相关实例，从渗透装置的变式归纳、经典题型的解题通法两个方面进行重难点突破。

一、渗透装置的变式归纳

1．烧杯漏斗型渗透装置

渗透作用是指水分子或其它溶剂分子透过半透膜（允许溶剂分子通过，不允许溶质分子通过的膜），从低浓度溶液进入高浓度溶液中的现象。这里的溶液浓度指的是溶液中溶质分子的物质的量浓度。

深度追问1.漏斗内液面上升与水分子运动有什么关系？

回答：水分子能通过半透膜，有进有出，水柱上升是因为进入漏斗的水比出来的水多。

深度追问2.一段时间后，漏斗内液面为什么不再上升？

回答：水分子进出半透膜的速度相等。

深度追问3.平衡后漏斗内外溶液浓度的大小关系是怎样的？

回答：平衡后，漏斗内依然是蔗糖溶液，漏斗外依然是清水，故很容易判断漏斗内溶液的浓度大于漏斗外溶液的浓度。此时水分子进半透膜的作用力为溶液浓度差产生的渗透压，而水分子出半透膜的作用力为漏斗内高于水面的液柱压力，溶液渗透压和液柱压力平衡，导致水分子进出平衡。

深度追问4.假如将半透膜换成纱布或者漏斗内外的溶液是相同浓度的蔗糖溶液，还会发生渗透作用导致漏斗内液面升高吗？渗透作用发生的基本条件是什么？

回答：由于纱布的孔隙很大，蔗糖分子和水分子都能通过，平衡时漏斗内外会是溶度相同的蔗糖溶液，故不会发生渗透作用，漏斗内液面不会升高。如果漏斗内外都是相同溶度的蔗糖溶液，水分子进出半透膜是平衡的，也不会发生渗透作用。所以，发生渗透作用的条件是有半透膜并且半透膜两侧存在浓度差。

深度追问5.影响液柱高度的因素有什么？

回答：①半透膜内外溶液浓度差越大，漏斗内溶质分子对外界水分子的吸引力越大，漏斗内液柱越高；②漏斗内径越小，漏斗内液柱会越高。

2．U 型试管型渗透装置

该模型以“U”型管为渗透装置，考查渗透作用引起的U 型管两侧液面的变化。

深度追问1.若a、b两侧都装入质量分数为30%的葡萄糖溶液，U型管两侧液面如何变化？

回答：a、b 两侧物质量浓度相同，此时水分进出平衡，故两侧液面相平。

深度追问2.若a侧是质量分数为30%的葡萄糖溶液， b侧为清水，U型管两侧液面如何变化？

回答：①若葡萄糖不能透过半透膜，清水能自由通过，则会发生渗透作用导致a 侧液面上升至一定高度后维持不变。②若水和葡萄糖都能自由透过半透膜，刚开始由于存在浓度差，故a 侧液面先上升，之后因为葡萄糖分子在半透膜两侧浓度逐渐接近，两侧浓度差逐渐下降，液面差也逐渐缩小直到两侧液面相平。

深度追问3.若a侧为质量分数为30%的葡萄糖溶液， b侧为质量分数为30%的蔗糖溶液，U型管两侧液面如何变化？

回答：两侧的溶液质量分数相同，但葡萄糖的相对分子质量小于蔗糖，通过物质的量的计算，a 侧溶液的物质的量浓度大于b 侧。①若水能通过半透膜，葡萄糖和蔗糖分子不能通过，则a 侧液面上升至一定高度后维持不变。②若水和葡萄糖能通过半透膜，蔗糖分子不能通过，则a 侧液面由于浓度差的存在先上升，之后由于葡萄糖分子通过半透膜，导致两侧浓度差下降，进而液面差下降，最后葡萄糖两侧浓度相同，但右侧蔗糖浓度较高，故右侧液面高。

3．移动小室型渗透装置

注：P1、P2为半透膜制成的结构，且在小室内可自由滑动，A、B、C为三个小室。

该模型常以“小室”或“注射器”为渗透装置，考查渗透作用引起的半透膜移动问题。

深度追问：若ABC三个小室内分别为3mol/L、2mol/L、1mol/L的葡萄糖溶液，P1、P2如何移动？

回答：水往溶液浓度高的一侧移动，B 中的水会向A 移动，C 中的水会向B 移动，所以半透膜P1、P2 都向右移动，平衡时每个小室内浓度相等。

膜移动攻略：先判断两侧溶液浓度的大小，再根据渗透作用原理判断水分子的移动方向，最后推理得出半透膜的移动方向，半透膜的移动方向和水分子的移动方向相反。

二、渗透装置的解题通法

1．经典例题

如图实验结果说明__________________。继续探究蔗糖水解产物能否通过半透膜，向b 管中滴加了两滴一定浓度的蔗糖酶，并在适宜温度下水浴保温一段时间，观察现象并预测结果：

（1）若发现a、b 两管的液面高度差继续增大，直至最后稳定不变。原因有：滴加蔗糖酶后b 侧溶液浓度______；蔗糖被水解，其产物________（填“能”或“不能”）通过半透膜。

（2）一段时间后，若发现b 管液面先上升后下降，直至b 侧液面仅略高于a 侧后不再变化。为使两侧液面等高，应进行的操作是在a 管中滴加等量的_______________。

2．参考答案

该过程发生了渗透作用，且蔗糖分子不能通过半透膜；（1）升高；不能；（2）蔗糖酶溶液

3．重点点拨

蔗糖酶的化学本质是蛋白质，不能透过半透膜，所以，最后会使b 侧液面略高于a 侧，为使两侧液面等高，只需在a 管中滴加等量的蔗糖酶溶液即可。

4．解题通法

①判断半透膜两侧溶液浓度的大小。

②判断水分子的移动方向。

③若有其他物质也能通过半透膜，就把它也当成溶剂（水分子），最后半透膜两侧浓度相同，不会使液面出现高度差，从而将问题化繁为简。

④找准不能过膜的物质，两侧溶液最后的浓度取决于不能过膜的物质在膜两侧的浓度差。平衡时液面越高，其溶液浓度差越大。

⑤若进行生物化学反应，还需考虑起催化作用的酶与反应的产物能否过膜，以及其对溶液浓度的影响。

新高考更加注重情境设置，对考生生物学科核心素养的要求更高，所以大家要不断提升自身的思维能力、实验探究能力、知识运用能力和语言表达能力，无论题干情境信息如何改变，分析问题的方法是不变的。我们必须善于分析，勤于总结，抓住类型化问题的根本，找到解决问题的通法。