滲透壓研究歷史淺析與高中生物學(xué)相關(guān)教學(xué)的建議

楊洪斌 孫 錦

(重慶市第七中學(xué)校 400030)

1 滲透壓的研究歷史

滲透作用是溶劑分子通過半透膜向高濃度溶液一側(cè)進(jìn)行擴(kuò)散的一種現(xiàn)象。最早記載滲透現(xiàn)象的是安托萬·諾萊(Abbé Nollet)，他在1748年發(fā)現(xiàn)水能透過豬膀胱擴(kuò)散到酒精溶液內(nèi)。1877年，德國植物學(xué)家弗菲爾(Pfeffer)用亞鐵氰化銅制成半透膜，這種膜只能讓水分子通過，而糖不能通過。他利用這種半透膜做了很多實(shí)驗(yàn)，并總結(jié)出兩個(gè)規(guī)律：①在一定溫度時(shí)，稀溶液的滲透壓力與溶液的濃度成正比；②在濃度一定時(shí)，稀溶液的滲透壓力與熱力學(xué)溫度成正比。1884年，荷蘭植物學(xué)家德·福利斯(de Vries)研究了等滲溶液，并將實(shí)驗(yàn)的結(jié)果通報(bào)給化學(xué)家范托霍夫(van′t Hoff)。接著，范托霍夫?qū)﹄y揮發(fā)非電解質(zhì)稀溶液的滲透壓力與溶液濃度和熱力學(xué)溫度的關(guān)系，從理論上推導(dǎo)出以下公式：π=CRT= nRT/V(π為稀溶液的滲透壓，V為溶液的體積，C為溶液的濃度，R為氣體常數(shù)，n為溶質(zhì)的物質(zhì)量，T為絕對(duì)溫度)。這個(gè)公式是范托霍夫在理想液體狀況下推導(dǎo)出來的，即：在0℃下，1 mol的溶質(zhì)溶解在1 L的溶劑的滲透壓為22.4 atm。盡管實(shí)際的滲透壓還是比較復(fù)雜，但這個(gè)公式已經(jīng)是最接近真實(shí)情況的了。1901年，他由于“發(fā)現(xiàn)了溶液中的化學(xué)動(dòng)力學(xué)法則和滲透壓規(guī)律以及對(duì)立體化學(xué)和化學(xué)平衡理論作出的貢獻(xiàn)”，成為第一位諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的獲得者[1]。

2 電解質(zhì)和非電解質(zhì)形成的滲透壓的區(qū)別

非電解質(zhì)是指在水溶液中或熔融態(tài)下不導(dǎo)電的化合物，如蔗糖、葡萄糖等；電解質(zhì)是指溶于水溶液中或在熔融狀態(tài)下能夠?qū)щ?自身電離成陽離子與陰離子)的化合物，兩者在溶液中都可構(gòu)成溶液的滲透壓。例如，在U形管中央放上半透膜，一邊是糖溶液，一邊是純水，可以看到糖溶液一邊的液面升高，而升高的高度就構(gòu)成了糖溶液的滲透壓。若要測(cè)試滲透壓的大小則只需要在糖溶液一側(cè)給予一個(gè)外加的壓力，當(dāng)壓力剛好能使糖溶液的液面回到原來的位置時(shí)，此時(shí)的壓力即是當(dāng)前滲透壓。

電解質(zhì)在溶液中是以離子的形式形成滲透壓，而非電解質(zhì)是以分子的形成構(gòu)成滲透壓。滲透壓的形成與分子和離子的大小無關(guān)，而是與單位體積溶液中離子或分子的數(shù)量(溶質(zhì)微粒的數(shù)目)有關(guān)，即溶液中離子和分子的物質(zhì)的量濃度構(gòu)成溶液的滲透壓。溶質(zhì)微粒的數(shù)量越多，對(duì)水分子的吸引力越大，其滲透壓就越高。

3 滲透原理的應(yīng)用

3.1 利用滲透原理來發(fā)電 2009年挪威率先嘗試使用滲透發(fā)電，當(dāng)時(shí)的發(fā)電功率很小，但是通過估計(jì)，若世界范圍都采用這種方式發(fā)電的話，則是一個(gè)很大的量。滲透發(fā)電的原料是海水和淡水。其原理是：當(dāng)?shù)秃Ｋ魅霑r(shí)，海水一邊的滲透壓高，淡水一邊的滲透壓低，就導(dǎo)致淡水中的水分子通過半透膜進(jìn)入海水一側(cè)的多，使得海水一側(cè)液面升高，從而推動(dòng)發(fā)電的渦輪機(jī)的旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而轉(zhuǎn)化成電能(圖1)。整個(gè)過程沒有任何污染，是一種良好的清潔能源。

圖1 滲透發(fā)電示意圖

3.2 利用滲透原理純化飲用水 正常情況下，水分子會(huì)向滲透壓比較高的地方轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致滲透壓高的一面液面升高；而反滲透作用采用的方法是把需要純化的水放在滲透壓高的一邊，然后外加一個(gè)相當(dāng)于靜水壓的壓力，使水分子通過半透膜進(jìn)入滲透壓低的一邊，從而達(dá)到凈化水的目的(圖2)。根據(jù)該原理，工業(yè)上往往通過多次的反滲透作用來純化水。

圖2 滲透作用與反滲透作用示意圖

4 高中生物學(xué)滲透壓相關(guān)內(nèi)容的教學(xué)建議

高中生物學(xué)有關(guān)滲透壓的知識(shí)點(diǎn)在必修教材中共有3處，分別出現(xiàn)在必修1“細(xì)胞中的無機(jī)物”“物質(zhì)跨膜運(yùn)輸”以及必修3“細(xì)胞生活的環(huán)境”中。在必修1中的兩處完全沒有提及滲透壓的概念，但是學(xué)生在理解和做作業(yè)的過程中又必須涉及滲透壓。此時(shí)，教師應(yīng)該通過感性的舉例來解釋滲透壓。例如，舉例說明紅細(xì)胞在低濃度溶液中發(fā)生溶血以及在高濃度溶液中細(xì)胞發(fā)生皺縮等，是由于半透膜兩邊的溶質(zhì)微粒的濃度差導(dǎo)致的，從而使水分子有進(jìn)入高濃度溶液的趨勢(shì)，微粒濃度越高滲透壓越高。而到了高二必修3時(shí)，教材上已有滲透壓的定義，但很簡短且抽象，然而卻是重點(diǎn)，這時(shí)需要結(jié)合滲透壓研究的歷史和原理講解清楚什么是滲透壓，滲透壓與哪些因素相關(guān)。并舉一些如水純化、植物體根部通過滲透作用來吸收水分、加糖使水果滲透失水干燥來達(dá)到保存的目的等應(yīng)用實(shí)例，以使學(xué)生加強(qiáng)理解。