“滲透作用”的理論分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

張國寧 張 琪

(1.南京師范大學(xué)附屬中學(xué),江蘇 南京 210003;2.南京外國語學(xué)校,江蘇 南京 210008)

“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.倒置的長頸漏斗和U型管這兩種裝置,常作為考查學(xué)生對滲透理解的情境.此類題目對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

圖1 已平衡的滲透裝置示意圖

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B、C選項(xiàng)的分析,可以總結(jié)如下:由于半透膜對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:單加蔗糖時(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.

圖3 燒杯中加水實(shí)驗(yàn)

表1 燒杯中加水實(shí)驗(yàn)不同時(shí)刻漏斗與燒杯液面差

2.2 長頸漏斗下移實(shí)驗(yàn)

圖4 長頸漏斗下移實(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.

表2 長頸漏斗下移實(shí)驗(yàn)不同時(shí)刻漏斗與燒杯液面差

3 結(jié)束語

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頸漏斗或者U型管等滲透裝置的問題.通過長頸漏斗這一簡單的裝置驗(yàn)證了理論分析的正確性,燒杯中加水以及長頸漏斗的上下移實(shí)驗(yàn)也可以作為教材中該實(shí)驗(yàn)的拓展,加深學(xué)生對滲透現(xiàn)象的理解,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣.