“渗透作用”的理论分析与实验验证

张国宁 张 琪

(1.南京师范大学附属中学,江苏 南京 210003;2.南京外国语学校,江苏 南京 210008)

“渗透作用”是人教版高中生物必修一第四章第一节被动运输中的概念.生活中的许多现象与渗透作用相关,如输液用的生理盐水是0.9%的NaCl、撒盐腌制萝卜时会出水、失水萎蔫的芹菜泡水之后可以变得坚挺等.理解渗透作用是学习“质壁分离与复原”的基础,也有助于学生理解细胞质膜的选择透过性.倒置的长颈漏斗和U型管这两种装置,常作为考查学生对渗透理解的情境.此类题目对思维能力的要求比较高,中学生往往不能透彻理解.下面以一道典型例题分析渗透现象,并通过实验对理论分析加以验证.

1 典型例题分析

例如图1是平衡时的渗透装置,烧杯的液面高度为a,漏斗的液面高度为b,液面差m=b-a,在此基础上继续实验,以渗透平衡时液面差为观测指标,下列叙述正确的是( ).

A.若吸出漏斗中高出烧杯液面的溶液,再次平衡时m增大

B.若向漏斗中滴入清水,平衡时m将减小

C.若向烧杯中加入适量清水,平衡时m将增大

D.若向漏斗中加入适量与平衡时浓度相同的蔗糖溶液,平衡时m不变

图1 已平衡的渗透装置示意图

分析水分子(或其他溶剂分子)通过半透膜的扩散,称为渗透作用[1].人们把施于溶液液面阻止纯溶剂通过半透膜向溶液渗透的压力称为渗透压,渗透压可以由渗透压公式计算:π=cRT,其中π为渗透压,c为非电解质稀溶液的浓度(mol·L-1),R为摩尔气体常数,T为热力学温度[2].根据渗透压公式不难得出,在一定条件下溶液的渗透压与溶液浓度成正比.图1所示的渗透装置,长颈漏斗内蔗糖溶液渗透压大于清水的渗透压,水分子的总移动趋势为由烧杯中进入漏斗内.因此,漏斗内液面升高.随着漏斗内液面升高,半透膜两侧的压强差增大,同时漏斗内的蔗糖溶液被稀释,渗透压降低.当渗透压与压强差相抵消,水分子进出半透膜达到平衡时,漏斗内的液面不再升高.

A选项,吸出漏斗中高出烧杯液面的溶液后,漏斗内仍为蔗糖溶液,烧杯中的水会进入漏斗内,导致液面升高.在此过程中漏斗内的蔗糖溶液被稀释,最终液面稳定时蔗糖浓度小于开始时的蔗糖浓度.此时溶液渗透压小于最初溶液的渗透压,与渗透压相抵消的压强差必然也减小,即m会变小.

B选项,向漏斗中滴入清水后,液面上升压强差增大,同时蔗糖溶液被稀释,渗透压减小.漏斗内的水必然向烧杯中转移,液面下降.液面下降到哪儿,最终的液面差如何?是学生思考时的难点.可以这样分析:漏斗中的水流到烧杯中时漏斗中液面下降,烧杯中液面上升.假设再次达到平衡时,烧杯中液面高度为a′,漏斗中液面高度为b′ 最终液面差仍为m(如图2所示).这时漏斗内蔗糖溶液相较于第一次平衡时浓度变低,渗透压不能抵消压强差,所以最终液面差小于m.

C选项,向烧杯中加入适量清水,烧杯中液面上升,这时压强差减小,而漏斗内渗透压不变,水会进入漏斗内.同样假设渗透平衡时,烧杯液面高度为a′,漏斗中液面高度为b′,液面差仍为m(如图2所示).与B选项的分析一致,漏斗内渗透压减小,不足以维持m的压强差,因此最终的液面差也小于m.通过对B、C选项的分析,可以总结如下:由于半透膜对水分子的通透没有选择性,向漏斗或者烧杯中加清水效果是一致的.用同样的方法还可以进一步分析,在不向装置中添加清水的情况下,如果将漏斗向下移,最终的液面差也应该小于m.如果将漏斗上移,最终液面差应该大于m.

D选项,向漏斗中加入适量与平衡时浓度相同的蔗糖溶液后,漏斗中蔗糖溶液浓度不变,渗透压也不变,该蔗糖浓度仍能维持m的液面差.但漏斗中液面升高导致压强差增大,因此漏斗中液面会下降,随着产生的是漏斗内渗透压升高,同时烧杯中液面升高.假设渗透达到平衡时,烧杯液面到a′,漏斗中液面到b′,液面差仍为m(如图2所示).此时渗透压的作用大于压强差,所以最终的液面差应大于m.

将D选项改编为“若向漏斗中加入适量小于平衡时浓度的蔗糖溶液后,最终的液面差如何呢?”如果继续采用上面的假设法进行分析:加入低浓度蔗糖溶液后,漏斗内蔗糖溶液浓度将变小,渗透压降低,但漏斗内的液面升高,压强差变大.此时压强差大于渗透压差,将导致漏斗内液面下降,漏斗内蔗糖溶液的渗透压升高的同时烧杯液面升高,假设平衡时液面差仍为m,此时无法将压强差与渗透压进行比较.还可以用另一种思维方式:将加入的蔗糖溶液分解为加入一定量的蔗糖和一定量的清水.分析如下:单加蔗糖时,m会增大,这很容易分析.单加清水时m会减小,这也容易分析.同时施加两种因素,则最终的结果不能确定,要考虑添加的水和蔗糖的比例,因此结论应该是m可能增大,可能不变,也可能减小.

2 利用渗透装置进行实验验证

用玻璃纸封闭长颈漏斗的一端,向漏斗内加入滴加了少量红墨水的5%的蔗糖溶液,烧杯中加入清水,组成渗透装置.根据上文中的分析,设计两个实验加以验证.

2.1 烧杯中加水实验

渗透开始时长颈漏斗与烧杯中液面差为3.5 cm(如图3A;见表1),5 h后液面差为8.2 cm(见表1),10 h后渗透达到平衡,液面差为11.4cm(如图3B;表1).之后向烧杯中加入清水,此时液面差为9.6 cm(如图3C;见表1).10 h后渗透达到平衡,液面差为10.9 cm(如图3D;见表1),从而证明了向烧杯中加入清水后液面差会减小.

图3 烧杯中加水实验

表1 烧杯中加水实验不同时刻漏斗与烧杯液面差

2.2 长颈漏斗下移实验

图4 长颈漏斗下移实验

渗透开始时半透膜距离烧杯底部5.3 cm,此时液面差为4 cm(如图4A所示),5 h后液面差为9 cm(见表2),10 h后渗透达到平衡,液面差为15.6 cm(如图4B;见表2).将长颈漏斗下移至半透膜距离烧杯底部1.5 cm,此时液面差为11.8 cm(如图4C;见表2).10 h后渗透再次达到平衡,液面差为14 cm(如图4D;见表2),从而证明了将漏斗下移后液面差会减小.

表2 长颈漏斗下移实验不同时刻漏斗与烧杯液面差

3 结束语

本文详解了一道渗透作用例题,这部分内容是学生思考中的难点,笔者提出的运用假设以及条件转化的分析方法可以很好地解决长颈漏斗或者U型管等渗透装置的问题.通过长颈漏斗这一简单的装置验证了理论分析的正确性,烧杯中加水以及长颈漏斗的上下移实验也可以作为教材中该实验的拓展,加深学生对渗透现象的理解,激发学生的学习兴趣.