通過實驗加深對“滲透作用”和“滲透壓”概念的理解

包翠敏

(上海金蘋果學(xué)校 201208)

在生物學(xué)教學(xué)中，學(xué)生往往對實驗特別感興趣。究其原因，是在實驗中學(xué)生能夠體驗動手操作與合作的快樂與滿足，但實驗課也存在一定的局限性，即學(xué)生對知識的掌握僅僅停留在感性的認(rèn)識上，缺乏對實驗現(xiàn)象原因的深度思考。因此，如果在實驗之后能夠再重新認(rèn)識實驗，進一步分析、總結(jié)實驗現(xiàn)象和原理，實驗才會更具價值。

例如，在進行“植物細胞的質(zhì)壁分離和復(fù)原”實驗之后，對實驗現(xiàn)象進一步分析和探究，將會使學(xué)生更好地理解該實驗的原理，同時還能加深對“滲透作用”和“滲透壓”這2個抽象概念的理解，并能解釋一些相關(guān)的生命現(xiàn)象。

1 對“質(zhì)壁分離和復(fù)原實驗”的再認(rèn)識

1.1 質(zhì)壁分離和復(fù)原實驗及原理 由實驗現(xiàn)象可知，當(dāng)把洋蔥表皮細胞浸在30%蔗糖溶液中時，由于細胞失水導(dǎo)致原生質(zhì)層隨之縮小，而細胞壁的伸縮性較小，因而出現(xiàn)質(zhì)壁分離現(xiàn)象。由此可以得出的結(jié)論是：當(dāng)外界溶液濃度大于細胞液濃度時，細胞失水；反之細胞吸水。

1.2 成熟的植物細胞構(gòu)成一個滲透系統(tǒng) 首先給出一個裝置如圖1，并按圖示進行實驗A；實驗B與實驗A的裝置相同，但要用針將半透膜扎多個小孔，破壞半透膜的半透性；實驗C與實驗A的差別是漏斗內(nèi)外都是30%的蔗糖溶液。三組實驗在初始時需保持內(nèi)外液面相平。觀察實驗現(xiàn)象，幾分鐘后實驗A裝置中漏斗內(nèi)液面上升；實驗B和C裝置的漏斗內(nèi)外液面沒有明顯變化。進一步思考：①燒杯中的水分子為什么會進入漏斗中? ②漏斗內(nèi)的液面會不會一直上升?為什么? ③實驗B、C中的液面為什么沒有變化？

圖1 滲透系統(tǒng)實驗裝置圖

實驗分析：在實驗A裝置中，蔗糖分子不能通過半透膜，漏斗外單位體積中水分子的數(shù)量明顯大于漏斗內(nèi)水分子的數(shù)量，導(dǎo)致水分子從漏斗外流向漏斗內(nèi)，進而漏斗內(nèi)液面增高。由此可判斷水分子從低濃度溶液流向高濃度溶液。由于大量水分子透過半透膜由外向內(nèi)運動，就會對半透膜產(chǎn)生一個向上的壓力；同時漏斗內(nèi)的液面升高而形成的水柱同樣會對半透膜產(chǎn)生一個向下的壓力。當(dāng)兩個力相平衡時水柱不再升高。在實驗B中，由于破壞了半透膜的半透性，蔗糖分子會通過小孔擴散到燒杯中，故不會發(fā)生滲透作用；實驗C與A相比，由于內(nèi)外沒有濃度差, 所以也沒有發(fā)生滲透作用。

實驗結(jié)論：滲透作用發(fā)生的條件是需要完好的半透膜和半透膜兩側(cè)存在濃度差。推論：成熟的植物細胞具備了發(fā)生滲透作用的兩個條件，其原生質(zhì)層相當(dāng)于半透膜；細胞液和外界溶液存在濃度差，因此成熟的植物細胞構(gòu)成了一個滲透系統(tǒng)。

2 對“滲透作用”概念的理解

2.1 滲透作用的概念 滲透作用指兩種不同濃度的溶液隔以半透膜，水分子或其他溶劑分子從低濃度的溶液通過半透膜進入高濃度溶液中的現(xiàn)象。

2.2 滲透作用的原理 在水分子的滲透過程中，水分子是由水勢高的一側(cè)向水勢低的一側(cè)運動。水勢是指每摩爾水分子所具有的可用于做功的能量，在溫度和壓力恒定的條件下，純水的水勢最高，水溶液的濃度與水勢高低成反比。根據(jù)熱力學(xué)原理，系統(tǒng)中物質(zhì)的總能量可分為束縛能和自由能兩部分，束縛能不能轉(zhuǎn)化為用于做功的能量，而自由能是在溫度恒定的條件下用于做功的能量。

水勢可理解為每摩爾水分子所具有的自由能(可用于做功的能量)。任何溶液中都含有溶質(zhì)，水分子因與溶質(zhì)分子相互作用而消耗了自由能，使水勢下降；又由于溶質(zhì)的存在，一部分水呈束縛狀態(tài)，減少了自由水的含量，從而也降低了自由能。因此，導(dǎo)致水分子的運動總是從溶液濃度低的一側(cè)向溶液濃度高的一側(cè)運動，即水分子總是從水勢高的一側(cè)向水勢低的一側(cè)運動。

3 對“滲透壓”概念的理解

滲透壓是內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)的一個重要指標(biāo)。滲透壓是指阻止水分子通過半透膜進入水溶液的壓力，細胞的滲透壓則是阻止水分子通過細胞膜外排的壓力。滲透壓的大小與溶質(zhì)微粒數(shù)多少成正相關(guān)，與微粒大小無關(guān)。

因此，細胞內(nèi)的微粒數(shù)越多，水勢越小，水分子外排的壓力就越大，即滲透壓越大，表現(xiàn)為細胞吸水能力越強。細胞外液的滲透壓指的是血漿、組織液、淋巴等液體中各種溶質(zhì)微粒，如蛋白質(zhì)、無機鹽離子等對水分子的吸引力。溶質(zhì)微粒越多，滲透壓越高。例如，1mol/L電解質(zhì)NaCl可解離成1mol/L Na+和1mol/L Cl-，形成的滲透壓為2Osm/L，而1mol/L的葡萄糖所形成的滲透壓為1Osm/L。顯然，相同濃度的不同溶液，其滲透壓不一定相同。

4 滲透作用原理的應(yīng)用

4.1 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的應(yīng)用 依據(jù)滲透作用的原理，可以測定植物細胞的細胞液濃度大小，為農(nóng)作物的灌溉和施肥提供理論依據(jù)。

4.2 為水和電解質(zhì)平衡提供理論依據(jù) 例如，當(dāng)食物過咸、飲水不足或大量出汗時，導(dǎo)致血漿濃度增大，血漿滲透壓升高。此時，一方面組織液中的水分向血漿中擴散(嚴(yán)重者會引起細胞脫水)；另一方面能引起下丘腦渴覺中樞興奮，大腦皮層產(chǎn)生渴覺而主動積極的飲水；還會引起下丘腦分泌的抗利尿激素增多，尿量減少，促使血漿滲透壓下降，維持內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定。這種神經(jīng)和體液的共同調(diào)節(jié)作用體現(xiàn)了生命活動的高度協(xié)調(diào)和統(tǒng)一。

4.3 在疾病的防治中提供理論依據(jù) 例如，在飲食中限制鹽的攝入量可以預(yù)防高血壓；出現(xiàn)過敏反應(yīng)時，組織胺會導(dǎo)致過敏部位毛細血管通透性增大，組織液滲透壓升高而出現(xiàn)組織水腫；腎炎患者出現(xiàn)蛋白尿后導(dǎo)致組織水腫；人體在患有急性腸胃炎時，需要靜脈滴注生理鹽水來維持水和電解質(zhì)的平衡等。學(xué)生掌握了相關(guān)的理論知識后，可提高自我保健意識。