“滲透作用”的理論分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

張國(guó)寧　張琪

摘 要：本文從一道滲透作用例題出發(fā)，討論了滲透作用的原理，以及滲透達(dá)到平衡后改變實(shí)驗(yàn)條件，最終漏斗內(nèi)的液面與燒杯中的液面差如何變化的問題.在理論分析的基礎(chǔ)上，利用教材提供的滲透裝置，通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)了理論分析的正確性.

關(guān)鍵詞：滲透作用；理論分析；實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證；高中生物

中圖分類號(hào)：G632 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1008-0333（2024）04-0143-03

“滲透作用”是人教版高中生物必修一第四章第一節(jié)被動(dòng)運(yùn)輸中的概念.生活中的許多現(xiàn)象與滲透作用相關(guān)，如輸液用的生理鹽水是0.9%的NaCl、撒鹽腌制蘿卜時(shí)會(huì)出水、失水萎蔫的芹菜泡水之后可以變得堅(jiān)挺等.理解滲透作用是學(xué)習(xí)“質(zhì)壁分離與復(fù)原”的基礎(chǔ)，也有助于學(xué)生理解細(xì)胞質(zhì)膜的選擇透過性.倒置的長(zhǎng)頸漏斗和U型管這兩種裝置，常作為考查學(xué)生對(duì)滲透理解的情境.此類題目對(duì)思維能力的要求比較高，中學(xué)生往往不能透徹理解.下面以一道典型例題分析滲透現(xiàn)象，并通過實(shí)驗(yàn)對(duì)理論分析加以驗(yàn)證.

1 典型例題分析

例 如圖1是平衡時(shí)的滲透裝置，燒杯的液面高度為a，漏斗的液面高度為b，液面差m=b-a，在此基礎(chǔ)上繼續(xù)實(shí)驗(yàn)，以滲透平衡時(shí)液面差為觀測(cè)指標(biāo)，下列敘述正確的是（）.A.若吸出漏斗中高出燒杯液面的溶液，再次平衡時(shí)m增大

B.若向漏斗中滴入清水，平衡時(shí)m將減小

C.若向燒杯中加入適量清水，平衡時(shí)m將增大

D.若向漏斗中加入適量與平衡時(shí)濃度相同的蔗糖溶液，平衡時(shí)m不變

分析 水分子（或其他溶劑分子）通過半透膜的擴(kuò)散，稱為滲透作用[1].人們把施于溶液液面阻止純?nèi)軇┩ㄟ^半透膜向溶液滲透的壓力稱為滲透壓，滲透壓可以由滲透壓公式計(jì)算：π=cRT，其中π為滲透壓，c為非電解質(zhì)稀溶液的濃度（mol·L-1），R為摩爾氣體常數(shù)，T為熱力學(xué)溫度[2].根據(jù)滲透壓公式不難得出，在一定條件下溶液的滲透壓與溶液濃度成正比.圖1所示的滲透裝置，長(zhǎng)頸漏斗內(nèi)蔗糖溶液滲透壓大于清水的滲透壓，水分子的總移動(dòng)趨勢(shì)為由燒杯中進(jìn)入漏斗內(nèi).因此，漏斗內(nèi)液面升高.隨著漏斗內(nèi)液面升高，半透膜兩側(cè)的壓強(qiáng)差增大，同時(shí)漏斗內(nèi)的蔗糖溶液被稀釋，滲透壓降低.當(dāng)滲透壓與壓強(qiáng)差相抵消，水分子進(jìn)出半透膜達(dá)到平衡時(shí)，漏斗內(nèi)的液面不再升高.

A選項(xiàng)，吸出漏斗中高出燒杯液面的溶液后，漏斗內(nèi)仍為蔗糖溶液，燒杯中的水會(huì)進(jìn)入漏斗內(nèi)，導(dǎo)致液面升高.在此過程中漏斗內(nèi)的蔗糖溶液被稀釋，最終液面穩(wěn)定時(shí)蔗糖濃度小于開始時(shí)的蔗糖濃度.此時(shí)溶液滲透壓小于最初溶液的滲透壓，與滲透壓相抵消的壓強(qiáng)差必然也減小，即m會(huì)變小.

B選項(xiàng)，向漏斗中滴入清水后，液面上升壓強(qiáng)差增大，同時(shí)蔗糖溶液被稀釋，滲透壓減小.漏斗內(nèi)的水必然向燒杯中轉(zhuǎn)移，液面下降.液面下降到哪兒，最終的液面差如何？是學(xué)生思考時(shí)的難點(diǎn).可以這樣分析：漏斗中的水流到燒杯中時(shí)漏斗中液面下降，燒杯中液面上升.假設(shè)再次達(dá)到平衡時(shí)，燒杯中液面高度為a′，漏斗中液面高度為b′ 最終液面差仍為m（如圖2所示）.這時(shí)漏斗內(nèi)蔗糖溶液相較于第一次平衡時(shí)濃度變低，滲透壓不能抵消壓強(qiáng)差，所以最終液面差小于m.

C選項(xiàng)，向燒杯中加入適量清水，燒杯中液面上升，這時(shí)壓強(qiáng)差減小，而漏斗內(nèi)滲透壓不變，水會(huì)進(jìn)入漏斗內(nèi).同樣假設(shè)滲透平衡時(shí)，燒杯液面高度為a′，漏斗中液面高度為b′，液面差仍為m（如圖2所示）.與B選項(xiàng)的分析一致，漏斗內(nèi)滲透壓減小，不足以維持m的壓強(qiáng)差，因此最終的液面差也小于m.通過對(duì)B、C選項(xiàng)的分析，可以總結(jié)如下：由于半透膜對(duì)水分子的通透沒有選擇性，向漏斗或者燒杯中加清水效果是一致的.用同樣的方法還可以進(jìn)一步分析，在不向裝置中添加清水的情況下，如果將漏斗向下移，最終的液面差也應(yīng)該小于m.如果將漏斗上移，最終液面差應(yīng)該大于m.

D選項(xiàng)，向漏斗中加入適量與平衡時(shí)濃度相同的蔗糖溶液后，漏斗中蔗糖溶液濃度不變，滲透壓也不變，該蔗糖濃度仍能維持m的液面差.但漏斗中液面升高導(dǎo)致壓強(qiáng)差增大，因此漏斗中液面會(huì)下降，隨著產(chǎn)生的是漏斗內(nèi)滲透壓升高，同時(shí)燒杯中液面升高.假設(shè)滲透達(dá)到平衡時(shí)，燒杯液面到a′，漏斗中液面到b′，液面差仍為m（如圖2所示）.此時(shí)滲透壓的作用大于壓強(qiáng)差，所以最終的液面差應(yīng)大于m.

將D選項(xiàng)改編為“若向漏斗中加入適量小于平衡時(shí)濃度的蔗糖溶液后，最終的液面差如何呢？”如果繼續(xù)采用上面的假設(shè)法進(jìn)行分析：加入低濃度蔗糖溶液后，漏斗內(nèi)蔗糖溶液濃度將變小，滲透壓降低，但漏斗內(nèi)的液面升高，壓強(qiáng)差變大.此時(shí)壓強(qiáng)差大于滲透壓差，將導(dǎo)致漏斗內(nèi)液面下降，漏斗內(nèi)蔗糖溶液的滲透壓升高的同時(shí)燒杯液面升高，假設(shè)平衡時(shí)液面差仍為m，此時(shí)無(wú)法將壓強(qiáng)差與滲透壓進(jìn)行比較.還可以用另一種思維方式：將加入的蔗糖溶液分解為加入一定量的蔗糖和一定量的清水.分析如下：?jiǎn)渭诱崽菚r(shí)，m會(huì)增大，這很容易分析.單加清水時(shí)m會(huì)減小，這也容易分析.同時(shí)施加兩種因素，則最終的結(jié)果不能確定，要考慮添加的水和蔗糖的比例，因此結(jié)論應(yīng)該是m可能增大，可能不變，也可能減小.

2 利用滲透裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

用玻璃紙封閉長(zhǎng)頸漏斗的一端，向漏斗內(nèi)加入滴加了少量紅墨水的5%的蔗糖溶液，燒杯中加入清水，組成滲透裝置.根據(jù)上文中的分析，設(shè)計(jì)兩個(gè)實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證.

2.1 燒杯中加水實(shí)驗(yàn)

滲透開始時(shí)長(zhǎng)頸漏斗與燒杯中液面差為3.5 cm（如圖3A；見表1），5 h后液面差為8.2 cm（見表1），10 h后滲透達(dá)到平衡，液面差為11.4cm（如圖3B；表1）.之后向燒杯中加入清水，此時(shí)液面差為9.6 cm（如圖3C；見表1）.10 h后滲透達(dá)到平衡，液面差為10.9 cm（如圖3D；見表1），從而證明了向燒杯中加入清水后液面差會(huì)減小.

2.2 長(zhǎng)頸漏斗下移實(shí)驗(yàn)

滲透開始時(shí)半透膜距離燒杯底部5.3 cm，此時(shí)液面差為4 cm（如圖4A所示），5 h后液面差為9 cm（見表2），10 h后滲透達(dá)到平衡，液面差為15.6 cm（如圖4B；見表2）.將長(zhǎng)頸漏斗下移至半透膜距離燒杯底部1.5 cm，此時(shí)液面差為11.8 cm（如圖4C；見表2）.10 h后滲透再次達(dá)到平衡，液面差為14 cm（如圖4D；見表2），從而證明了將漏斗下移后液面差會(huì)減小.

3 結(jié)束語(yǔ)

本文詳解了一道滲透作用例題，這部分內(nèi)容是學(xué)生思考中的難點(diǎn)，筆者提出的運(yùn)用假設(shè)以及條件轉(zhuǎn)化的分析方法可以很好地解決長(zhǎng)頸漏斗或者U型管等滲透裝置的問題.通過長(zhǎng)頸漏斗這一簡(jiǎn)單的裝置驗(yàn)證了理論分析的正確性，燒杯中加水以及長(zhǎng)頸漏斗的上下移實(shí)驗(yàn)也可以作為教材中該實(shí)驗(yàn)的拓展，加深學(xué)生對(duì)滲透現(xiàn)象的理解，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣.

參考文獻(xiàn)：

［1］ 朱正威.普通高中教科書·生物學(xué)[M]. 北京：人民教育出版社，2019.

[2] 北京師范大學(xué)，華中師范大學(xué)，南京師范大學(xué). 無(wú)機(jī)化學(xué)（上冊(cè)）[M]. 北京：高等教育出版社，2020.

［責(zé)任編輯：季春陽(yáng)］

收稿日期：2023-11-05

作者簡(jiǎn)介：張國(guó)寧（1994.12-），男，山東省聊城人，碩士，從事高中生物教學(xué)研究；

張琪（1996.1-），女，山東省濰坊人，博士，從事生物教學(xué)研究.