安徽 陳永輝

從受力的角度分析滲透作用

安徽 陳永輝

課本在《物質(zhì)跨膜運輸?shù)膶嵗芬还?jié)中講述了滲透作用有關(guān)的知識，進而引出了質(zhì)壁分離的內(nèi)容。但是課本上關(guān)于滲透作用的理論講的卻很少，只是簡單通過動、植物細胞的吸水與失水的例子說明了滲透作用發(fā)生的條件與水分子的流動方向。學生更多的只能從感覺上了解滲透作用，很難對滲透作用有關(guān)的知識點和題目做更深層次的理論分析。特別是有些滲透作用的題目還涉及擴散現(xiàn)象，學生更是難以理解。在這里筆者結(jié)合多年的教學經(jīng)驗從滲透壓和物理受力分析的角度來談?wù)剬τ嘘P(guān)滲透作用的知識點的理解和有關(guān)題目的分析。

一、滲透作用有關(guān)知識點的理解

1. 滲透作用的概念

水分子等溶劑分子通過半透膜由低濃度一側(cè)向高濃度一側(cè)擴散的現(xiàn)象就是滲透作用。這里可以看出水分子會由溶質(zhì)的低濃度一側(cè)向高濃度一側(cè)移動。為什么呢?這就要結(jié)合滲透壓的概念來分析一下，什么是滲透壓？人教版高中生物必修3第一章第一節(jié)《人體內(nèi)環(huán)境與穩(wěn)態(tài)》中有敘述“溶液中溶質(zhì)微粒對水的吸引能力”。從滲透壓的概念中可以看出溶質(zhì)微粒對水分子有吸引力，結(jié)合物理學受力分析，可以推斷水分子由于受到溶質(zhì)微粒的吸引力會向溶質(zhì)微粒方向移動，且單位體積內(nèi)溶質(zhì)微粒數(shù)越多，對水的吸引力就越強，所以水分子會由溶質(zhì)的低濃度一側(cè)向高濃度一側(cè)移動。

2. 結(jié)合滲透壓分析一個結(jié)論：紅細胞吸水時，水分子有進有出。因為在半透膜兩側(cè)都有溶質(zhì)微粒，對水分子都有吸引力，所以水分子有進有出。當兩側(cè)物質(zhì)的量濃度相等時，對水分子吸引力相等，水分子進出半透膜相當。讀到這里大家可能要問：如果紅細胞放在蒸餾水中，外面沒有溶質(zhì)微粒對水分子的吸引力了，水分子還是有進有出嗎？是。因為紅細胞內(nèi)有溶質(zhì)微粒，水分子進細胞毋庸置疑，而紅細胞由于吸水會膨脹，由于細胞膜的伸縮性，導致細胞對水分子產(chǎn)生壓力，所以水分子也會出細胞。那么有沒有水分子單向流動的情況呢？有！如圖1。

圖1

玻璃管右側(cè)是清水，左側(cè)是0.1 mol/L的葡萄糖溶液，中間是能無摩擦滑動的半透膜且半透膜只允許水分子通過。在這里水分子只會向左側(cè)單向流動，因為沒有力使水向右側(cè)流動。

3. 為什么比較滲透裝置中水分子的流向時，比較的是物質(zhì)的量濃度而不是其他濃度呢？因為每個溶質(zhì)微粒對水都有吸引力，而且不論微粒所帶電荷的多少、正負，不論微粒的質(zhì)量、體積大小，它們對水分子的吸引力都是一樣的。由此可以看出單位體積內(nèi)溶質(zhì)微粒越多，對水分子的吸引力越強，即溶液物質(zhì)的量濃度越大對水分子的吸引力越大。所以我們在比較溶質(zhì)物質(zhì)的量濃度時，比較的是所有溶質(zhì)的總物質(zhì)的量濃度。

4. 在學習中我們還發(fā)現(xiàn)滲透作用要比較溶質(zhì)的總物質(zhì)的量濃度，而自由擴散和協(xié)助擴散只要比較擴散對象的濃度即可。滲透作用為什么要比較總物質(zhì)的量濃度前面已經(jīng)介紹了，那么自由擴散和協(xié)助擴散只要比較擴散對象的濃度而不比較總物質(zhì)的量濃度又怎樣理解呢？在這里某種溶質(zhì)的濃度勢能受其他溶質(zhì)微粒的影響忽略不計。所以只考慮同種物質(zhì)物質(zhì)的量濃度。一般情況下，濃度越高濃度勢能越大，所以自由擴散和協(xié)助擴散中分子會由高濃度（高勢能）一側(cè)向低濃度（低勢能）一側(cè)移動。

二、滲透裝置的受力分析

為了更好地分析有關(guān)題目，先要知道擴散的知識：擴散就是物質(zhì)由濃度高的一側(cè)向濃度低的一側(cè)移動的現(xiàn)象。擴散的結(jié)果：兩側(cè)溶質(zhì)濃度相當。

1. 如圖2：半透膜僅容水分子通過，開始兩側(cè)液面齊平。問：最終哪側(cè)液面高？哪側(cè)濃度高？

圖2

【分析】由于半透膜僅容水分子通過，所以本題只要考慮滲透作用，沒有溶質(zhì)的擴散現(xiàn)象。開始時右側(cè)物質(zhì)的量濃度大于左側(cè)，由于滲透壓的作用右側(cè)溶質(zhì)對水的吸引力更大，所以水分子向右側(cè)移動，所以最終右側(cè)液面高。

當水分子最終處于相對靜止狀態(tài)，對任意水分子進行受力分析時水分子都受力平衡。我們對水分子進行受力分析發(fā)現(xiàn)A側(cè)滲透壓（簡稱滲A）使水受向左側(cè)的力，右側(cè)滲透壓（簡稱滲B）使水受向右側(cè)的力，由于最終液面右側(cè)高于左側(cè)，所以會產(chǎn)生壓力，稱其靜水壓。靜水壓使水分子受向左側(cè)的力。由于水分子受力平衡所以可以得出如下等式：滲B-滲A=靜水壓，即滲B大于滲A，所以可以推出最終右側(cè)物質(zhì)的量濃度大于左側(cè)。

還可以得出結(jié)論：液面高的一側(cè)物質(zhì)的量濃度更大。

圖3

延伸：

如圖3。兩端密封玻璃管，中間是能無摩擦滑動的半透膜，且半透膜僅容水分子通過，管長2L，橫截面積S。問：最終半透膜向哪移動？移動距離?

【分析】本題同上原因也只考慮滲透作用。分析可以得出如下結(jié)論：①兩側(cè)物質(zhì)的量都不變，只有體積在變。②最終靜止時兩側(cè)物質(zhì)的量濃度相等，即水分子受力平衡。

解：由分析可知半透膜向左移動。假設(shè)半透膜向左移動距離為X，則可以建立如下等式：

0.1*LS/（L-X）S=0.2*LS/（L+X）S 解方程可得：X=1/3L

2. 如圖4：A液是0.1 mol/L蔗糖溶液，B液是0.2 mol/L葡萄糖溶液。半透膜容水分子與葡萄糖透過，開始兩側(cè)液面齊平。問：左側(cè)液面怎樣變化？最終哪側(cè)液面高？

圖4

【分析】要想更好地理解本題就要知道①由于半透膜容水分子與葡萄糖通過，水分子通過半透膜是滲透作用，而葡萄糖通過半透膜是擴散現(xiàn)象。所以本題既要考慮滲透作用又要考慮擴散現(xiàn)象。②水分子由于體積較小，所以穿過半透膜的速率比葡萄糖快。③要分析左側(cè)液面變化就要分析U型管的開始狀態(tài)和液面靜止時的最終狀態(tài)。

開始狀態(tài)時右側(cè)物質(zhì)的量濃度大于左側(cè)，所以開始時水分子向右側(cè)移動，左側(cè)液面下降。 最終狀態(tài)時由于擴散作用，兩側(cè)葡萄糖濃度大致相等。但是左側(cè)除了葡萄糖還有蔗糖分子，即左側(cè)溶質(zhì)總物質(zhì)的量濃度更大，所以最終左側(cè)液面高于右側(cè)。所以可以得出結(jié)論：左側(cè)液面先下降后升高，并且最終左側(cè)液面更高，因為最終左側(cè)物質(zhì)的量濃度更大。

延伸：①如果把左側(cè)看作一個細胞，就會發(fā)現(xiàn)左側(cè)先發(fā)生質(zhì)壁分離后自動復原。原因就是因為右側(cè)的溶質(zhì)葡萄糖可以穿過半透膜進入左側(cè)。所以可以得出結(jié)論：只要使細胞發(fā)生質(zhì)壁分離的外界溶液中的溶質(zhì)能進入細胞，細胞就可以發(fā)生質(zhì)壁分離的自動復原。

②如圖5：

圖5

A液是0.1 mol/L蔗糖溶液，B液是0.2 mol/L葡萄糖溶液。玻璃管中間是能無摩擦滑動的半透膜，半透膜容水分子與葡萄糖通過，管長2L，橫截面積S。問：半透膜移動方向？移動的位移是多少？

【分析】同上原因本題既要考慮滲透作用又要考慮擴散作用。要分析半透膜移動方向和位移大小，就要分析U型管的開始狀態(tài)和最終靜止時的狀態(tài)。開始狀態(tài)時右側(cè)物質(zhì)的量濃度大于左側(cè)，由于滲透壓的作用水向右側(cè)移動，所以半透膜先向左側(cè)移動。最終狀態(tài)時葡萄糖由于擴散現(xiàn)象兩側(cè)濃度大致相等，但是左側(cè)除了葡萄糖還有蔗糖分子，所以左側(cè)溶質(zhì)對水分子的吸引力永遠大于右側(cè)。所以半透膜最終一定向右移動，且一定移動到最右側(cè)為止。所以可以得出結(jié)論：半透膜先向左移動后向右移動，移動位移為L。

3. 如圖6：A液是蔗糖溶液，B液是葡萄糖溶液。半透膜容水分子、葡萄糖、蔗糖分子通過，開始兩側(cè)液面齊平。問：左側(cè)液面怎樣變化？最終哪側(cè)液面高？

圖6

【分析】由于水分子、葡萄糖、蔗糖都可以通過半透膜，并且水分子通過半透膜是滲透作用，而葡萄糖、蔗糖通過半透膜是擴散現(xiàn)象。所以本題也是既要考慮滲透作用又要考慮擴散現(xiàn)象。要分析左側(cè)液面變化就要分析U型管的開始狀態(tài)和液面靜止時的最終狀態(tài)。開始狀態(tài)時右側(cè)物質(zhì)的量濃度大于左側(cè)，由于滲透壓的作用右側(cè)溶質(zhì)對水的吸引力更大，所以開始時水分子向右側(cè)移動，即左側(cè)液面下降。 最終狀態(tài)時葡萄糖和蔗糖由于擴散作用兩側(cè)濃度相等，所以最終兩側(cè)液面齊平。所以可以得出結(jié)論：左側(cè)液面先下降后升高，最終兩側(cè)液面等高。

（作者單位：安徽省潁上第一中學）