從受力的角度分析滲透作用

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(yùn)輸?shù)膶?shí)例》一節(jié)中講述了滲透作用有關(guān)的知識(shí)，進(jìn)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(jiǎn)單通過(guò)動(dòng)、植物細(xì)胞的吸水與失水的例子說(shuō)明了滲透作用發(fā)生的條件與水分子的流動(dòng)方向。學(xué)生更多的只能從感覺上了解滲透作用，很難對(duì)滲透作用有關(guān)的知識(shí)點(diǎn)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(kuò)散現(xiàn)象，學(xué)生更是難以理解。在這里筆者結(jié)合多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)從滲透壓和物理受力分析的角度來(lái)談?wù)剬?duì)有關(guān)滲透作用的知識(shí)點(diǎn)的理解和有關(guān)題目的分析。

一、滲透作用有關(guān)知識(shí)點(diǎn)的理解

1. 滲透作用的概念

水分子等溶劑分子通過(guò)半透膜由低濃度一側(cè)向高濃度一側(cè)擴(kuò)散的現(xiàn)象就是滲透作用。這里可以看出水分子會(huì)由溶質(zhì)的低濃度一側(cè)向高濃度一側(cè)移動(dòng)。為什么呢?這就要結(jié)合滲透壓的概念來(lái)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(duì)水的吸引能力”。從滲透壓的概念中可以看出溶質(zhì)微粒對(duì)水分子有吸引力，結(jié)合物理學(xué)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(huì)向溶質(zhì)微粒方向移動(dòng)，且單位體積內(nèi)溶質(zhì)微粒數(shù)越多，對(duì)水的吸引力就越強(qiáng)，所以水分子會(huì)由溶質(zhì)的低濃度一側(cè)向高濃度一側(cè)移動(dòng)。

2. 結(jié)合滲透壓分析一個(gè)結(jié)論：紅細(xì)胞吸水時(shí)，水分子有進(jìn)有出。因?yàn)樵诎胪改蓚?cè)都有溶質(zhì)微粒，對(duì)水分子都有吸引力，所以水分子有進(jìn)有出。當(dāng)兩側(cè)物質(zhì)的量濃度相等時(shí)，對(duì)水分子吸引力相等，水分子進(jìn)出半透膜相當(dāng)。讀到這里大家可能要問(wèn)：如果紅細(xì)胞放在蒸餾水中，外面沒有溶質(zhì)微粒對(duì)水分子的吸引力了，水分子還是有進(jìn)有出嗎？是。因?yàn)榧t細(xì)胞內(nèi)有溶質(zhì)微粒，水分子進(jìn)細(xì)胞毋庸置疑，而紅細(xì)胞由于吸水會(huì)膨脹，由于細(xì)胞膜的伸縮性，導(dǎo)致細(xì)胞對(duì)水分子產(chǎn)生壓力，所以水分子也會(huì)出細(xì)胞。那么有沒有水分子單向流動(dòng)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(wú)摩擦滑動(dòng)的半透膜且半透膜只允許水分子通過(guò)。在這里水分子只會(huì)向左側(cè)單向流動(dòng)，因?yàn)闆]有力使水向右側(cè)流動(dòng)。

3. 為什么比較滲透裝置中水分子的流向時(shí)，比較的是物質(zhì)的量濃度而不是其他濃度呢？因?yàn)槊總€(gè)溶質(zhì)微粒對(duì)水都有吸引力，而且不論微粒所帶電荷的多少、正負(fù)，不論微粒的質(zhì)量、體積大小，它們對(duì)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(duì)水分子的吸引力越強(qiáng)，即溶液物質(zhì)的量濃度越大對(duì)水分子的吸引力越大。所以我們?cè)诒容^溶質(zhì)物質(zhì)的量濃度時(shí)，比較的是所有溶質(zhì)的總物質(zhì)的量濃度。

4. 在學(xué)習(xí)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(kuò)散和協(xié)助擴(kuò)散只要比較擴(kuò)散對(duì)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(kuò)散和協(xié)助擴(kuò)散只要比較擴(kuò)散對(duì)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(shì)能受其他溶質(zhì)微粒的影響忽略不計(jì)。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(shì)能越大，所以自由擴(kuò)散和協(xié)助擴(kuò)散中分子會(huì)由高濃度（高勢(shì)能）一側(cè)向低濃度（低勢(shì)能）一側(cè)移動(dòng)。

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(kuò)散的知識(shí)：擴(kuò)散就是物質(zhì)由濃度高的一側(cè)向濃度低的一側(cè)移動(dòng)的現(xiàn)象。擴(kuò)散的結(jié)果：兩側(cè)溶質(zhì)濃度相當(dāng)。

1. 如圖2：半透膜僅容水分子通過(guò)，開始兩側(cè)液面齊平。問(wèn)：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(guò)，所以本題只要考慮滲透作用，沒有溶質(zhì)的擴(kuò)散現(xiàn)象。開始時(shí)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(duì)水的吸引力更大，所以水分子向右側(cè)移動(dòng)，所以最終右側(cè)液面高。

當(dāng)水分子最終處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)，對(duì)任意水分子進(jìn)行受力分析時(shí)水分子都受力平衡。我們對(duì)水分子進(jìn)行受力分析發(fā)現(xiàn)A側(cè)滲透壓（簡(jiǎn)稱滲A）使水受向左側(cè)的力，右側(cè)滲透壓（簡(jiǎn)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(huì)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(wú)摩擦滑動(dòng)的半透膜，且半透膜僅容水分子通過(guò)，管長(zhǎng)2L，橫截面積S。問(wèn)：最終半透膜向哪移動(dòng)？移動(dòng)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(shí)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(dòng)。假設(shè)半透膜向左移動(dòng)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(guò)，開始兩側(cè)液面齊平。問(wèn)：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(guò)，水分子通過(guò)半透膜是滲透作用，而葡萄糖通過(guò)半透膜是擴(kuò)散現(xiàn)象。所以本題既要考慮滲透作用又要考慮擴(kuò)散現(xiàn)象。②水分子由于體積較小，所以穿過(guò)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(shí)的最終狀態(tài)。

開始狀態(tài)時(shí)右側(cè)物質(zhì)的量濃度大于左側(cè)，所以開始時(shí)水分子向右側(cè)移動(dòng)，左側(cè)液面下降。 最終狀態(tài)時(shí)由于擴(kuò)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?yàn)樽罱K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(gè)細(xì)胞，就會(huì)發(fā)現(xiàn)左側(cè)先發(fā)生質(zhì)壁分離后自動(dòng)復(fù)原。原因就是因?yàn)橛覀?cè)的溶質(zhì)葡萄糖可以穿過(guò)半透膜進(jìn)入左側(cè)。所以可以得出結(jié)論：只要使細(xì)胞發(fā)生質(zhì)壁分離的外界溶液中的溶質(zhì)能進(jìn)入細(xì)胞，細(xì)胞就可以發(fā)生質(zhì)壁分離的自動(dòng)復(fù)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(wú)摩擦滑動(dòng)的半透膜，半透膜容水分子與葡萄糖通過(guò)，管長(zhǎng)2L，橫截面積S。問(wèn)：半透膜移動(dòng)方向？移動(dòng)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(kuò)散作用。要分析半透膜移動(dòng)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(shí)的狀態(tài)。開始狀態(tài)時(shí)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(dòng)，所以半透膜先向左側(cè)移動(dòng)。最終狀態(tài)時(shí)葡萄糖由于擴(kuò)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(duì)水分子的吸引力永遠(yuǎn)大于右側(cè)。所以半透膜最終一定向右移動(dòng)，且一定移動(dòng)到最右側(cè)為止。所以可以得出結(jié)論：半透膜先向左移動(dòng)后向右移動(dòng)，移動(dòng)位移為L(zhǎng)。

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(guò)，開始兩側(cè)液面齊平。問(wèn)：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(guò)半透膜，并且水分子通過(guò)半透膜是滲透作用，而葡萄糖、蔗糖通過(guò)半透膜是擴(kuò)散現(xiàn)象。所以本題也是既要考慮滲透作用又要考慮擴(kuò)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(shí)的最終狀態(tài)。開始狀態(tài)時(shí)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(duì)水的吸引力更大，所以開始時(shí)水分子向右側(cè)移動(dòng)，即左側(cè)液面下降。 最終狀態(tài)時(shí)葡萄糖和蔗糖由于擴(kuò)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(xué)）