洞悉“滲透作用”原理，尋找解題通法

>>>王 靜 李立娜

滲透作用是水分子進出細胞的方式之一，屬于次位概念。該概念的理解能幫助學生形成“細胞的生存需要能量和營養物質”的生命觀念。對于滲透作用，高考要求學生能在較復雜的情境中綜合運用有關知識進行分析、判斷、推理和評價。從近5 年高考試題看，滲透作用的考查頻率較高，主要以選擇題的形式呈現，具體請見下表：

表1 近5年高考對滲透作用考查的情況

命題人常結合質壁分離實驗情境設計試題，考查學生對實驗結果的分析和判斷，重在培養考生科學思維和科學探究的核心素養。

分子運動屬于微觀領域，很難用肉眼直接觀察，學生在已有認知的基礎上理解滲透作用時會有一定的難度。加之物質運輸還會涉及不同種類的分子（如蔗糖、葡萄糖、蔗糖酶、水分子等）運動，以及一些細胞內的生物化學反應，學生想要透徹理解較為困難。要想理解細胞的滲透作用，就有必要從滲透裝置的分析尋找突破點，由淺入深，由非生物的模擬實驗推理并歸納出生物世界的規律。對于滲透裝置的理解和應用，只要能把握住幾個關鍵點，難題就會迎刃而解！下面我們結合相關實例，從滲透裝置的變式歸納、經典題型的解題通法兩個方面進行重難點突破。

一、滲透裝置的變式歸納

1．燒杯漏斗型滲透裝置

滲透作用是指水分子或其它溶劑分子透過半透膜（允許溶劑分子通過，不允許溶質分子通過的膜），從低濃度溶液進入高濃度溶液中的現象。這里的溶液濃度指的是溶液中溶質分子的物質的量濃度。

深度追問1.漏斗內液面上升與水分子運動有什么關系？

回答：水分子能通過半透膜，有進有出，水柱上升是因為進入漏斗的水比出來的水多。

深度追問2.一段時間后，漏斗內液面為什么不再上升？

回答：水分子進出半透膜的速度相等。

深度追問3.平衡后漏斗內外溶液濃度的大小關系是怎樣的？

回答：平衡后，漏斗內依然是蔗糖溶液，漏斗外依然是清水，故很容易判斷漏斗內溶液的濃度大于漏斗外溶液的濃度。此時水分子進半透膜的作用力為溶液濃度差產生的滲透壓，而水分子出半透膜的作用力為漏斗內高于水面的液柱壓力，溶液滲透壓和液柱壓力平衡，導致水分子進出平衡。

深度追問4.假如將半透膜換成紗布或者漏斗內外的溶液是相同濃度的蔗糖溶液，還會發生滲透作用導致漏斗內液面升高嗎？滲透作用發生的基本條件是什么？

回答：由于紗布的孔隙很大，蔗糖分子和水分子都能通過，平衡時漏斗內外會是溶度相同的蔗糖溶液，故不會發生滲透作用，漏斗內液面不會升高。如果漏斗內外都是相同溶度的蔗糖溶液，水分子進出半透膜是平衡的，也不會發生滲透作用。所以，發生滲透作用的條件是有半透膜并且半透膜兩側存在濃度差。

深度追問5.影響液柱高度的因素有什么？

回答：①半透膜內外溶液濃度差越大，漏斗內溶質分子對外界水分子的吸引力越大，漏斗內液柱越高；②漏斗內徑越小，漏斗內液柱會越高。

2．U 型試管型滲透裝置

該模型以“U”型管為滲透裝置，考查滲透作用引起的U 型管兩側液面的變化。

深度追問1.若a、b兩側都裝入質量分數為30%的葡萄糖溶液，U型管兩側液面如何變化？

回答：a、b 兩側物質量濃度相同，此時水分進出平衡，故兩側液面相平。

深度追問2.若a側是質量分數為30%的葡萄糖溶液， b側為清水，U型管兩側液面如何變化？

回答：①若葡萄糖不能透過半透膜，清水能自由通過，則會發生滲透作用導致a 側液面上升至一定高度后維持不變。②若水和葡萄糖都能自由透過半透膜，剛開始由于存在濃度差，故a 側液面先上升，之后因為葡萄糖分子在半透膜兩側濃度逐漸接近，兩側濃度差逐漸下降，液面差也逐漸縮小直到兩側液面相平。

深度追問3.若a側為質量分數為30%的葡萄糖溶液， b側為質量分數為30%的蔗糖溶液，U型管兩側液面如何變化？

回答：兩側的溶液質量分數相同，但葡萄糖的相對分子質量小于蔗糖，通過物質的量的計算，a 側溶液的物質的量濃度大于b 側。①若水能通過半透膜，葡萄糖和蔗糖分子不能通過，則a 側液面上升至一定高度后維持不變。②若水和葡萄糖能通過半透膜，蔗糖分子不能通過，則a 側液面由于濃度差的存在先上升，之后由于葡萄糖分子通過半透膜，導致兩側濃度差下降，進而液面差下降，最后葡萄糖兩側濃度相同，但右側蔗糖濃度較高，故右側液面高。

3．移動小室型滲透裝置

注：P1、P2為半透膜制成的結構，且在小室內可自由滑動，A、B、C為三個小室。

該模型常以“小室”或“注射器”為滲透裝置，考查滲透作用引起的半透膜移動問題。

深度追問：若ABC三個小室內分別為3mol/L、2mol/L、1mol/L的葡萄糖溶液，P1、P2如何移動？

回答：水往溶液濃度高的一側移動，B 中的水會向A 移動，C 中的水會向B 移動，所以半透膜P1、P2 都向右移動，平衡時每個小室內濃度相等。

膜移動攻略：先判斷兩側溶液濃度的大小，再根據滲透作用原理判斷水分子的移動方向，最后推理得出半透膜的移動方向，半透膜的移動方向和水分子的移動方向相反。

二、滲透裝置的解題通法

1．經典例題

如圖實驗結果說明__________________。繼續探究蔗糖水解產物能否通過半透膜，向b 管中滴加了兩滴一定濃度的蔗糖酶，并在適宜溫度下水浴保溫一段時間，觀察現象并預測結果：

（1）若發現a、b 兩管的液面高度差繼續增大，直至最后穩定不變。原因有：滴加蔗糖酶后b 側溶液濃度______；蔗糖被水解，其產物________（填“能”或“不能”）通過半透膜。

（2）一段時間后，若發現b 管液面先上升后下降，直至b 側液面僅略高于a 側后不再變化。為使兩側液面等高，應進行的操作是在a 管中滴加等量的_______________。

2．參考答案

該過程發生了滲透作用，且蔗糖分子不能通過半透膜；（1）升高；不能；（2）蔗糖酶溶液

3．重點點撥

蔗糖酶的化學本質是蛋白質，不能透過半透膜，所以，最后會使b 側液面略高于a 側，為使兩側液面等高，只需在a 管中滴加等量的蔗糖酶溶液即可。

4．解題通法

①判斷半透膜兩側溶液濃度的大小。

②判斷水分子的移動方向。

③若有其他物質也能通過半透膜，就把它也當成溶劑（水分子），最后半透膜兩側濃度相同，不會使液面出現高度差，從而將問題化繁為簡。

④找準不能過膜的物質，兩側溶液最后的濃度取決于不能過膜的物質在膜兩側的濃度差。平衡時液面越高，其溶液濃度差越大。

⑤若進行生物化學反應，還需考慮起催化作用的酶與反應的產物能否過膜，以及其對溶液濃度的影響。

新高考更加注重情境設置，對考生生物學科核心素養的要求更高，所以大家要不斷提升自身的思維能力、實驗探究能力、知識運用能力和語言表達能力，無論題干情境信息如何改變，分析問題的方法是不變的。我們必須善于分析，勤于總結，抓住類型化問題的根本，找到解決問題的通法。