洞悉“滲透作用”原理，尋找解題通法

>>>王 靜 李立娜

滲透作用是水分子進(jìn)出細(xì)胞的方式之一，屬于次位概念。該概念的理解能幫助學(xué)生形成“細(xì)胞的生存需要能量和營養(yǎng)物質(zhì)”的生命觀念。對(duì)于滲透作用，高考要求學(xué)生能在較復(fù)雜的情境中綜合運(yùn)用有關(guān)知識(shí)進(jìn)行分析、判斷、推理和評(píng)價(jià)。從近5 年高考試題看，滲透作用的考查頻率較高，主要以選擇題的形式呈現(xiàn)，具體請(qǐng)見下表：

表1 近5年高考對(duì)滲透作用考查的情況

命題人常結(jié)合質(zhì)壁分離實(shí)驗(yàn)情境設(shè)計(jì)試題，考查學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析和判斷，重在培養(yǎng)考生科學(xué)思維和科學(xué)探究的核心素養(yǎng)。

分子運(yùn)動(dòng)屬于微觀領(lǐng)域，很難用肉眼直接觀察，學(xué)生在已有認(rèn)知的基礎(chǔ)上理解滲透作用時(shí)會(huì)有一定的難度。加之物質(zhì)運(yùn)輸還會(huì)涉及不同種類的分子（如蔗糖、葡萄糖、蔗糖酶、水分子等）運(yùn)動(dòng)，以及一些細(xì)胞內(nèi)的生物化學(xué)反應(yīng)，學(xué)生想要透徹理解較為困難。要想理解細(xì)胞的滲透作用，就有必要從滲透裝置的分析尋找突破點(diǎn)，由淺入深，由非生物的模擬實(shí)驗(yàn)推理并歸納出生物世界的規(guī)律。對(duì)于滲透裝置的理解和應(yīng)用，只要能把握住幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，難題就會(huì)迎刃而解！下面我們結(jié)合相關(guān)實(shí)例，從滲透裝置的變式歸納、經(jīng)典題型的解題通法兩個(gè)方面進(jìn)行重難點(diǎn)突破。

一、滲透裝置的變式歸納

1．燒杯漏斗型滲透裝置

滲透作用是指水分子或其它溶劑分子透過半透膜（允許溶劑分子通過，不允許溶質(zhì)分子通過的膜），從低濃度溶液進(jìn)入高濃度溶液中的現(xiàn)象。這里的溶液濃度指的是溶液中溶質(zhì)分子的物質(zhì)的量濃度。

深度追問1.漏斗內(nèi)液面上升與水分子運(yùn)動(dòng)有什么關(guān)系？

回答：水分子能通過半透膜，有進(jìn)有出，水柱上升是因?yàn)檫M(jìn)入漏斗的水比出來的水多。

深度追問2.一段時(shí)間后，漏斗內(nèi)液面為什么不再上升？

回答：水分子進(jìn)出半透膜的速度相等。

深度追問3.平衡后漏斗內(nèi)外溶液濃度的大小關(guān)系是怎樣的？

回答：平衡后，漏斗內(nèi)依然是蔗糖溶液，漏斗外依然是清水，故很容易判斷漏斗內(nèi)溶液的濃度大于漏斗外溶液的濃度。此時(shí)水分子進(jìn)半透膜的作用力為溶液濃度差產(chǎn)生的滲透壓，而水分子出半透膜的作用力為漏斗內(nèi)高于水面的液柱壓力，溶液滲透壓和液柱壓力平衡，導(dǎo)致水分子進(jìn)出平衡。

深度追問4.假如將半透膜換成紗布或者漏斗內(nèi)外的溶液是相同濃度的蔗糖溶液，還會(huì)發(fā)生滲透作用導(dǎo)致漏斗內(nèi)液面升高嗎？滲透作用發(fā)生的基本條件是什么？

回答：由于紗布的孔隙很大，蔗糖分子和水分子都能通過，平衡時(shí)漏斗內(nèi)外會(huì)是溶度相同的蔗糖溶液，故不會(huì)發(fā)生滲透作用，漏斗內(nèi)液面不會(huì)升高。如果漏斗內(nèi)外都是相同溶度的蔗糖溶液，水分子進(jìn)出半透膜是平衡的，也不會(huì)發(fā)生滲透作用。所以，發(fā)生滲透作用的條件是有半透膜并且半透膜兩側(cè)存在濃度差。

深度追問5.影響液柱高度的因素有什么？

回答：①半透膜內(nèi)外溶液濃度差越大，漏斗內(nèi)溶質(zhì)分子對(duì)外界水分子的吸引力越大，漏斗內(nèi)液柱越高；②漏斗內(nèi)徑越小，漏斗內(nèi)液柱會(huì)越高。

2．U 型試管型滲透裝置

該模型以“U”型管為滲透裝置，考查滲透作用引起的U 型管兩側(cè)液面的變化。

深度追問1.若a、b兩側(cè)都裝入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的葡萄糖溶液，U型管兩側(cè)液面如何變化？

回答：a、b 兩側(cè)物質(zhì)量濃度相同，此時(shí)水分進(jìn)出平衡，故兩側(cè)液面相平。

深度追問2.若a側(cè)是質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的葡萄糖溶液， b側(cè)為清水，U型管兩側(cè)液面如何變化？

回答：①若葡萄糖不能透過半透膜，清水能自由通過，則會(huì)發(fā)生滲透作用導(dǎo)致a 側(cè)液面上升至一定高度后維持不變。②若水和葡萄糖都能自由透過半透膜，剛開始由于存在濃度差，故a 側(cè)液面先上升，之后因?yàn)槠咸烟欠肿釉诎胪改蓚?cè)濃度逐漸接近，兩側(cè)濃度差逐漸下降，液面差也逐漸縮小直到兩側(cè)液面相平。

深度追問3.若a側(cè)為質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的葡萄糖溶液， b側(cè)為質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的蔗糖溶液，U型管兩側(cè)液面如何變化？

回答：兩側(cè)的溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)相同，但葡萄糖的相對(duì)分子質(zhì)量小于蔗糖，通過物質(zhì)的量的計(jì)算，a 側(cè)溶液的物質(zhì)的量濃度大于b 側(cè)。①若水能通過半透膜，葡萄糖和蔗糖分子不能通過，則a 側(cè)液面上升至一定高度后維持不變。②若水和葡萄糖能通過半透膜，蔗糖分子不能通過，則a 側(cè)液面由于濃度差的存在先上升，之后由于葡萄糖分子通過半透膜，導(dǎo)致兩側(cè)濃度差下降，進(jìn)而液面差下降，最后葡萄糖兩側(cè)濃度相同，但右側(cè)蔗糖濃度較高，故右側(cè)液面高。

3．移動(dòng)小室型滲透裝置

注：P1、P2為半透膜制成的結(jié)構(gòu)，且在小室內(nèi)可自由滑動(dòng)，A、B、C為三個(gè)小室。

該模型常以“小室”或“注射器”為滲透裝置，考查滲透作用引起的半透膜移動(dòng)問題。

深度追問：若ABC三個(gè)小室內(nèi)分別為3mol/L、2mol/L、1mol/L的葡萄糖溶液，P1、P2如何移動(dòng)？

回答：水往溶液濃度高的一側(cè)移動(dòng)，B 中的水會(huì)向A 移動(dòng)，C 中的水會(huì)向B 移動(dòng)，所以半透膜P1、P2 都向右移動(dòng)，平衡時(shí)每個(gè)小室內(nèi)濃度相等。

膜移動(dòng)攻略：先判斷兩側(cè)溶液濃度的大小，再根據(jù)滲透作用原理判斷水分子的移動(dòng)方向，最后推理得出半透膜的移動(dòng)方向，半透膜的移動(dòng)方向和水分子的移動(dòng)方向相反。

二、滲透裝置的解題通法

1．經(jīng)典例題

如圖實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明__________________。繼續(xù)探究蔗糖水解產(chǎn)物能否通過半透膜，向b 管中滴加了兩滴一定濃度的蔗糖酶，并在適宜溫度下水浴保溫一段時(shí)間，觀察現(xiàn)象并預(yù)測結(jié)果：

（1）若發(fā)現(xiàn)a、b 兩管的液面高度差繼續(xù)增大，直至最后穩(wěn)定不變。原因有：滴加蔗糖酶后b 側(cè)溶液濃度______；蔗糖被水解，其產(chǎn)物________（填“能”或“不能”）通過半透膜。

（2）一段時(shí)間后，若發(fā)現(xiàn)b 管液面先上升后下降，直至b 側(cè)液面僅略高于a 側(cè)后不再變化。為使兩側(cè)液面等高，應(yīng)進(jìn)行的操作是在a 管中滴加等量的_______________。

2．參考答案

該過程發(fā)生了滲透作用，且蔗糖分子不能通過半透膜；（1）升高；不能；（2）蔗糖酶溶液

3．重點(diǎn)點(diǎn)撥

蔗糖酶的化學(xué)本質(zhì)是蛋白質(zhì)，不能透過半透膜，所以，最后會(huì)使b 側(cè)液面略高于a 側(cè)，為使兩側(cè)液面等高，只需在a 管中滴加等量的蔗糖酶溶液即可。

4．解題通法

①判斷半透膜兩側(cè)溶液濃度的大小。

②判斷水分子的移動(dòng)方向。

③若有其他物質(zhì)也能通過半透膜，就把它也當(dāng)成溶劑（水分子），最后半透膜兩側(cè)濃度相同，不會(huì)使液面出現(xiàn)高度差，從而將問題化繁為簡。

④找準(zhǔn)不能過膜的物質(zhì)，兩側(cè)溶液最后的濃度取決于不能過膜的物質(zhì)在膜兩側(cè)的濃度差。平衡時(shí)液面越高，其溶液濃度差越大。

⑤若進(jìn)行生物化學(xué)反應(yīng)，還需考慮起催化作用的酶與反應(yīng)的產(chǎn)物能否過膜，以及其對(duì)溶液濃度的影響。

新高考更加注重情境設(shè)置，對(duì)考生生物學(xué)科核心素養(yǎng)的要求更高，所以大家要不斷提升自身的思維能力、實(shí)驗(yàn)探究能力、知識(shí)運(yùn)用能力和語言表達(dá)能力，無論題干情境信息如何改變，分析問題的方法是不變的。我們必須善于分析，勤于總結(jié)，抓住類型化問題的根本，找到解決問題的通法。