“渗透作用”的理论分析与实验验证

渗透作用 的理论分析与实验验证
张国宁１㊀张㊀琪２
(１.南京师范大学附属中学ꎬ江苏南京２１０００３ꎻ２.南京外国语学校ꎬ江苏南京２１０００８)摘㊀要:本文从一道渗透作用例题出发ꎬ讨论了渗透作用的原理ꎬ以及渗透达到平衡后改变实验条件ꎬ最终漏斗内的液面与烧杯中的液面差如何变化的问题.在理论分析的基础上ꎬ利用教材提供的渗透装置ꎬ通过实验证实了理论分析的正确性.
关键词:渗透作用ꎻ理论分析ꎻ实验验证ꎻ高中生物
中图分类号:Ｇ６３２㊀㊀㊀文献标识码:Ａ㊀㊀㊀文章编号:１００８－０３３３(２０２４)０４－０１４３－０３
收稿日期:２０２３－１１－０５
作者简介:张国宁(１９９４.１２－)ꎬ男ꎬ山东省聊城人ꎬ硕士ꎬ从事高中生物教学研究ꎻ
张琪(１９９６.１－)ꎬ女ꎬ山东省潍坊人ꎬ博士ꎬ从事生物教学研究.
㊀㊀ 渗透作用 是人教版高中生物必修一第四章第一节被动运输中的概念.生活中的许多现象与渗透作用相关ꎬ如输液用的生理盐水是０.９％的ＮａＣｌ㊁撒盐腌制萝卜时会出水㊁失水萎蔫的芹菜泡水之后可以变得坚挺等.理解渗透作用是学习 质壁分离与复原 的基础ꎬ也有助于学生理解细胞质膜的选择透过性.倒置的长颈漏斗和Ｕ型管这两种装置ꎬ常作为考查学生对渗透理解的情境.此类题目对思维能力的要求比较高ꎬ中学生往往不能透彻理解.下面以一道典型例题分析渗透现象ꎬ并通过实验对理论分析加以验证.
１典型例题分析
例㊀如图１是平衡时的渗透装置ꎬ烧杯的液面高度为ａꎬ漏斗的液面高度为ｂꎬ液面差ｍ＝ｂ－ａꎬ在此基础上继续实验ꎬ以渗透平衡时液面差为观测指标ꎬ下列叙述正确的是(㊀㊀).
Ａ.若吸出漏斗中高出烧杯液面的溶液ꎬ再次平衡时ｍ增大
Ｂ.若向漏斗中滴入清水ꎬ平衡时ｍ将减小Ｃ.若向烧杯中加入适量清水ꎬ平衡时ｍ将增大Ｄ.若向漏斗中加入适量与平衡时浓度相同的
蔗糖溶液ꎬ平衡时ｍ
不变
图１㊀已平衡的渗透㊀㊀㊀㊀㊀㊀图２㊀处理后再平衡的
装置示意图
渗透装置示意图
分析㊀水分子(或其他溶剂分子)通过半透膜的扩散ꎬ称为渗透作用[１].人们把施于溶液液面阻止纯溶剂通过半透膜向溶液渗透的压力称为渗透压ꎬ渗透压可以由渗透压公式计算:π＝ｃＲＴꎬ其中π为渗透压ꎬｃ为非电解质稀溶液的浓度(ｍｏｌ Ｌ－１)ꎬＲ为摩尔气体常数ꎬＴ为热力学温度[２].根据渗透压公式不难得出ꎬ在一定条件下溶液的渗透压与溶液
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浓度成正比.图１所示的渗透装置ꎬ长颈漏斗内蔗糖溶液渗透压大于清水的渗透压ꎬ水分子的总移动趋势为由烧杯中进入漏斗内.因此ꎬ漏斗内液面升高.随着漏斗内液面升高ꎬ半透膜两侧的压强差增大ꎬ同时漏斗内的蔗糖溶液被稀释ꎬ渗透压降低.当渗透压与压强差相抵消ꎬ水分子进出半透膜达到平衡时ꎬ漏斗内的液面不再升高.
Ａ选项ꎬ吸出漏斗中高出烧杯液面的溶液后ꎬ漏
斗内仍为蔗糖溶液ꎬ烧杯中的水会进入漏斗内ꎬ导致液面升高.在此过程中漏斗内的蔗糖溶液被稀释ꎬ最终液面稳定时蔗糖浓度小于开始时的蔗糖浓度.此时溶液渗透压小于最初溶液的渗透压ꎬ与渗透压相抵消的压强差必然也减小ꎬ即ｍ会变小.
Ｂ选项ꎬ向漏斗中滴入清水后ꎬ液面上升压强差增大ꎬ同时蔗糖溶液被稀释ꎬ渗透压减小.漏斗内的水必然向烧杯中转移ꎬ液面下降.液面下降到哪儿ꎬ
最终的液面差如何?是学生思考时的难点.可以这样分析:漏斗中的水流到烧杯中时漏斗中液面下降ꎬ烧杯中液面上升.假设再次达到平衡时ꎬ烧杯中液面高度为ａᶄꎬ漏斗中液面高度为ｂᶄ最终液面差仍为ｍ(如图２所示).这时漏斗内蔗糖溶液相较于第一次平衡时浓度变低ꎬ渗透压不能抵消压强差ꎬ所以最终
液面差小于ｍ.
Ｃ选项ꎬ向烧杯中加入适量清水ꎬ烧杯中液面上升ꎬ这时压强差减小ꎬ而漏斗内渗透压不变ꎬ水会进入漏斗内.同样假设渗透平衡时ꎬ烧杯液面高度为ａᶄꎬ漏斗中液面高度为ｂᶄꎬ液面差仍为ｍ(如图２所示).与Ｂ选项的分析一致ꎬ漏斗内渗透压减小ꎬ不足以维持ｍ的压强差ꎬ因此最终的液面差也小于ｍ.通过对Ｂ㊁Ｃ选项的分析ꎬ可以总结如下:由于半透膜对水分子的通透没有选择性ꎬ向漏斗或者烧杯中加清水效果是一致的.用同样的方法还可以进一步分析ꎬ在不向装置中添加清水的情况下ꎬ如果将漏斗向下移ꎬ最终的液面差也应该小于ｍ.如果将漏斗上移ꎬ最终液面差应该大于ｍ.Ｄ选项ꎬ向漏斗中加入适量与平衡时浓度相同
的蔗糖溶液后ꎬ漏斗中蔗糖溶液浓度不变ꎬ渗透压也不变ꎬ该蔗糖浓度仍能维持ｍ的液面差.但漏斗中液面升高导致压强差增大ꎬ因此漏斗中液面会下降ꎬ随着产生的是漏斗内渗透压升高ꎬ同时烧杯中液面升高.假设渗透达到平衡时ꎬ烧杯液面到ａᶄꎬ漏斗中液面到ｂᶄꎬ液面差仍为ｍ(如图２所示).此时渗透压的作用大于压强差ꎬ所以最终的液面差应大于ｍ.
将Ｄ选项改编为 若向漏斗中加入适量小于平衡时浓度的蔗糖溶液后ꎬ最终的液面差如何呢? 如果继续采用上面的假设法进行分析:加入低浓度蔗糖溶液后ꎬ漏斗内蔗糖溶液浓度将变小ꎬ渗透压降低ꎬ但漏斗内的液面升高ꎬ压强差变大.此时压强差大于渗透压差ꎬ将导致漏斗内液面下降ꎬ漏斗内蔗糖溶液的渗透压升高的同时烧杯液面升高ꎬ假设平衡时液面差仍为ｍꎬ此时无法将压强差与渗透压进行比较.还可以用另一种思维方式:将加入的蔗糖溶液分解为加入一定量的蔗糖和一定量的清水.分析如下:单加蔗糖时ꎬｍ会增大ꎬ这很容易分析.单加清水时ｍ会减小ꎬ这也容易分析.同时施加两种因素ꎬ则最终的结果不能确定ꎬ要考虑添加的水和蔗糖的比例ꎬ因此结论应该是ｍ可能增大ꎬ可能不变ꎬ也可能减小.
２利用渗透装置进行实验验证
用玻璃纸封闭长颈漏斗的一端ꎬ向漏斗内加入滴加了少量红墨水的５％的蔗糖溶液ꎬ烧杯中加入清水ꎬ组成渗透装置.根据上文中的分析ꎬ设计两个实验加以验证.２.１烧杯中加水实验
渗透开始时长颈漏斗与烧杯中液面差为３.５ｃｍ
(如图３Ａꎻ见表１)ꎬ５ｈ后液面差为８.２ｃｍ(见表
１)ꎬ１０ｈ后渗透达到平衡ꎬ液面差为１１.４ｃｍ(如图３Ｂꎻ表１).之后向烧杯中加入清水ꎬ此时液面差为９.６ｃｍ(如图３Ｃꎻ见表１).１０ｈ后渗透达到平衡ꎬ液面差为１０.９ｃｍ(如图３Ｄꎻ见表１)ꎬ从而证明了向烧
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杯中加入清水后液面差会减小
.图３㊀烧杯中加水实验
说明:Ａ为渗透开始ꎬＢ为渗透达到平衡ꎬＣ为向烧杯中加入清水ꎬＤ为再次达到平衡
表１㊀烧杯中加水实验不同时刻漏斗与烧杯液面差时间渗透开始５ｈ后１０ｈ后渗透平衡加水后加水平衡后漏斗内液面高度/ｃｍ１０.２１４.９１７.９１９.１２０.２烧杯液面高度/ｃｍ６.７６.７６.５９.５９.３液面高度差/ｃｍ
３.５
８.２
１１.４
９.６
１０.９
２.２长颈漏斗下移实验
图４㊀长颈漏斗下移实验
说明:Ａ为渗透开始ꎬＢ为渗透达到平衡ꎬＣ将漏斗向下移动ꎬＤ为再次达到平衡
渗透开始时半透膜距离烧杯底部５.３ｃｍꎬ此时液面差为４ｃｍ(如图４Ａ所示)ꎬ５ｈ后液面差为９ｃｍ(见表２)ꎬ１０ｈ后渗透达到平衡ꎬ液面差为１５.６ｃｍ(如图４Ｂꎻ见表２).将长颈漏斗下移至半透膜距离烧杯底部１.５ｃｍꎬ此时液面差为１１.８ｃｍ(如图４Ｃꎻ
见表２).１０ｈ后渗透再次达到平衡ꎬ液面差为１４ｃｍ(如图４Ｄꎻ见表２)ꎬ从而证明了将漏斗下移后液面差会减小.
表２㊀长颈漏斗下移实验不同时刻漏斗与烧杯液面差
时间渗透开始５ｈ后１０ｈ后渗透平衡加水后
加水平衡后漏斗内液面高度/ｃｍ１１.７１６.７２３.１２０.３２２.２烧杯液面高度/ｃｍ７.７７.７７.５８.５８.４液面高度差/ｃｍ
４
９
１５.６
１１.８
１３.８
３结束语
本文详解了一道渗透作用例题ꎬ这部分内容是学生思考中的难点ꎬ笔者提出的运用假设以及条件转化的分析方法可以很好地解决长颈漏斗或者Ｕ型管等渗透装置的问题.通过长颈漏斗这一简单的装置验证了理论分析的正确性ꎬ烧杯中加水以及长颈漏斗的上下移实验
也可以作为教材中该实验的拓展ꎬ加深学生对渗透现象的理解ꎬ激发学生的学习兴趣.
参考文献:
[１]朱正威.普通高中教科书 生物学[Ｍ].北京:
人民教育出版社ꎬ２０１９.
[２]北京师范大学ꎬ华中师范大学ꎬ南京师范大学.
无机化学(上册)[Ｍ].北京:高等教育出版社ꎬ
２０２０.
[责任编辑:季春阳]
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