滲透壓研究歷史淺析與高中生物學相關教學的建議

楊洪斌 孫 錦

(重慶市第七中學校 400030)

1 滲透壓的研究歷史

滲透作用是溶劑分子通過半透膜向高濃度溶液一側進行擴散的一種現象。最早記載滲透現象的是安托萬·諾萊(Abbé Nollet)，他在1748年發現水能透過豬膀胱擴散到酒精溶液內。1877年，德國植物學家弗菲爾(Pfeffer)用亞鐵氰化銅制成半透膜，這種膜只能讓水分子通過，而糖不能通過。他利用這種半透膜做了很多實驗，并總結出兩個規律：①在一定溫度時，稀溶液的滲透壓力與溶液的濃度成正比；②在濃度一定時，稀溶液的滲透壓力與熱力學溫度成正比。1884年，荷蘭植物學家德·福利斯(de Vries)研究了等滲溶液，并將實驗的結果通報給化學家范托霍夫(van′t Hoff)。接著，范托霍夫對難揮發非電解質稀溶液的滲透壓力與溶液濃度和熱力學溫度的關系，從理論上推導出以下公式：π=CRT= nRT/V(π為稀溶液的滲透壓，V為溶液的體積，C為溶液的濃度，R為氣體常數，n為溶質的物質量，T為絕對溫度)。這個公式是范托霍夫在理想液體狀況下推導出來的，即：在0℃下，1 mol的溶質溶解在1 L的溶劑的滲透壓為22.4 atm。盡管實際的滲透壓還是比較復雜，但這個公式已經是最接近真實情況的了。1901年，他由于“發現了溶液中的化學動力學法則和滲透壓規律以及對立體化學和化學平衡理論作出的貢獻”，成為第一位諾貝爾化學獎的獲得者[1]。

2 電解質和非電解質形成的滲透壓的區別

非電解質是指在水溶液中或熔融態下不導電的化合物，如蔗糖、葡萄糖等；電解質是指溶于水溶液中或在熔融狀態下能夠導電(自身電離成陽離子與陰離子)的化合物，兩者在溶液中都可構成溶液的滲透壓。例如，在U形管中央放上半透膜，一邊是糖溶液，一邊是純水，可以看到糖溶液一邊的液面升高，而升高的高度就構成了糖溶液的滲透壓。若要測試滲透壓的大小則只需要在糖溶液一側給予一個外加的壓力，當壓力剛好能使糖溶液的液面回到原來的位置時，此時的壓力即是當前滲透壓。

電解質在溶液中是以離子的形式形成滲透壓，而非電解質是以分子的形成構成滲透壓。滲透壓的形成與分子和離子的大小無關，而是與單位體積溶液中離子或分子的數量(溶質微粒的數目)有關，即溶液中離子和分子的物質的量濃度構成溶液的滲透壓。溶質微粒的數量越多，對水分子的吸引力越大，其滲透壓就越高。

3 滲透原理的應用

3.1 利用滲透原理來發電 2009年挪威率先嘗試使用滲透發電，當時的發電功率很小，但是通過估計，若世界范圍都采用這種方式發電的話，則是一個很大的量。滲透發電的原料是海水和淡水。其原理是：當淡水和海水流入時，海水一邊的滲透壓高，淡水一邊的滲透壓低，就導致淡水中的水分子通過半透膜進入海水一側的多，使得海水一側液面升高，從而推動發電的渦輪機的旋轉，進而轉化成電能(圖1)。整個過程沒有任何污染，是一種良好的清潔能源。

圖1 滲透發電示意圖

3.2 利用滲透原理純化飲用水 正常情況下，水分子會向滲透壓比較高的地方轉移，導致滲透壓高的一面液面升高；而反滲透作用采用的方法是把需要純化的水放在滲透壓高的一邊，然后外加一個相當于靜水壓的壓力，使水分子通過半透膜進入滲透壓低的一邊，從而達到凈化水的目的(圖2)。根據該原理，工業上往往通過多次的反滲透作用來純化水。

圖2 滲透作用與反滲透作用示意圖

4 高中生物學滲透壓相關內容的教學建議

高中生物學有關滲透壓的知識點在必修教材中共有3處，分別出現在必修1“細胞中的無機物”“物質跨膜運輸”以及必修3“細胞生活的環境”中。在必修1中的兩處完全沒有提及滲透壓的概念，但是學生在理解和做作業的過程中又必須涉及滲透壓。此時，教師應該通過感性的舉例來解釋滲透壓。例如，舉例說明紅細胞在低濃度溶液中發生溶血以及在高濃度溶液中細胞發生皺縮等，是由于半透膜兩邊的溶質微粒的濃度差導致的，從而使水分子有進入高濃度溶液的趨勢，微粒濃度越高滲透壓越高。而到了高二必修3時，教材上已有滲透壓的定義，但很簡短且抽象，然而卻是重點，這時需要結合滲透壓研究的歷史和原理講解清楚什么是滲透壓，滲透壓與哪些因素相關。并舉一些如水純化、植物體根部通過滲透作用來吸收水分、加糖使水果滲透失水干燥來達到保存的目的等應用實例，以使學生加強理解。