“滲透作用”的理論分析與實驗驗證

張國寧　張琪

摘 要：本文從一道滲透作用例題出發(fā)，討論了滲透作用的原理，以及滲透達到平衡后改變實驗條件，最終漏斗內(nèi)的液面與燒杯中的液面差如何變化的問題.在理論分析的基礎上，利用教材提供的滲透裝置，通過實驗證實了理論分析的正確性.

關鍵詞：滲透作用；理論分析；實驗驗證；高中生物

中圖分類號：G632 文獻標識碼：A 文章編號：1008-0333（2024）04-0143-03

“滲透作用”是人教版高中生物必修一第四章第一節(jié)被動運輸中的概念.生活中的許多現(xiàn)象與滲透作用相關，如輸液用的生理鹽水是0.9%的NaCl、撒鹽腌制蘿卜時會出水、失水萎蔫的芹菜泡水之后可以變得堅挺等.理解滲透作用是學習“質壁分離與復原”的基礎，也有助于學生理解細胞質膜的選擇透過性.倒置的長頸漏斗和U型管這兩種裝置，常作為考查學生對滲透理解的情境.此類題目對思維能力的要求比較高，中學生往往不能透徹理解.下面以一道典型例題分析滲透現(xiàn)象，并通過實驗對理論分析加以驗證.

1 典型例題分析

例 如圖1是平衡時的滲透裝置，燒杯的液面高度為a，漏斗的液面高度為b，液面差m=b-a，在此基礎上繼續(xù)實驗，以滲透平衡時液面差為觀測指標，下列敘述正確的是（）.A.若吸出漏斗中高出燒杯液面的溶液，再次平衡時m增大

B.若向漏斗中滴入清水，平衡時m將減小

C.若向燒杯中加入適量清水，平衡時m將增大

D.若向漏斗中加入適量與平衡時濃度相同的蔗糖溶液，平衡時m不變

分析 水分子（或其他溶劑分子）通過半透膜的擴散，稱為滲透作用[1].人們把施于溶液液面阻止純?nèi)軇┩ㄟ^半透膜向溶液滲透的壓力稱為滲透壓，滲透壓可以由滲透壓公式計算：π=cRT，其中π為滲透壓，c為非電解質稀溶液的濃度（mol·L-1），R為摩爾氣體常數(shù)，T為熱力學溫度[2].根據(jù)滲透壓公式不難得出，在一定條件下溶液的滲透壓與溶液濃度成正比.圖1所示的滲透裝置，長頸漏斗內(nèi)蔗糖溶液滲透壓大于清水的滲透壓，水分子的總移動趨勢為由燒杯中進入漏斗內(nèi).因此，漏斗內(nèi)液面升高.隨著漏斗內(nèi)液面升高，半透膜兩側的壓強差增大，同時漏斗內(nèi)的蔗糖溶液被稀釋，滲透壓降低.當滲透壓與壓強差相抵消，水分子進出半透膜達到平衡時，漏斗內(nèi)的液面不再升高.

A選項，吸出漏斗中高出燒杯液面的溶液后，漏斗內(nèi)仍為蔗糖溶液，燒杯中的水會進入漏斗內(nèi)，導致液面升高.在此過程中漏斗內(nèi)的蔗糖溶液被稀釋，最終液面穩(wěn)定時蔗糖濃度小于開始時的蔗糖濃度.此時溶液滲透壓小于最初溶液的滲透壓，與滲透壓相抵消的壓強差必然也減小，即m會變小.

B選項，向漏斗中滴入清水后，液面上升壓強差增大，同時蔗糖溶液被稀釋，滲透壓減小.漏斗內(nèi)的水必然向燒杯中轉移，液面下降.液面下降到哪兒，最終的液面差如何？是學生思考時的難點.可以這樣分析：漏斗中的水流到燒杯中時漏斗中液面下降，燒杯中液面上升.假設再次達到平衡時，燒杯中液面高度為a′，漏斗中液面高度為b′ 最終液面差仍為m（如圖2所示）.這時漏斗內(nèi)蔗糖溶液相較于第一次平衡時濃度變低，滲透壓不能抵消壓強差，所以最終液面差小于m.

C選項，向燒杯中加入適量清水，燒杯中液面上升，這時壓強差減小，而漏斗內(nèi)滲透壓不變，水會進入漏斗內(nèi).同樣假設滲透平衡時，燒杯液面高度為a′，漏斗中液面高度為b′，液面差仍為m（如圖2所示）.與B選項的分析一致，漏斗內(nèi)滲透壓減小，不足以維持m的壓強差，因此最終的液面差也小于m.通過對B、C選項的分析，可以總結如下：由于半透膜對水分子的通透沒有選擇性，向漏斗或者燒杯中加清水效果是一致的.用同樣的方法還可以進一步分析，在不向裝置中添加清水的情況下，如果將漏斗向下移，最終的液面差也應該小于m.如果將漏斗上移，最終液面差應該大于m.

D選項，向漏斗中加入適量與平衡時濃度相同的蔗糖溶液后，漏斗中蔗糖溶液濃度不變，滲透壓也不變，該蔗糖濃度仍能維持m的液面差.但漏斗中液面升高導致壓強差增大，因此漏斗中液面會下降，隨著產(chǎn)生的是漏斗內(nèi)滲透壓升高，同時燒杯中液面升高.假設滲透達到平衡時，燒杯液面到a′，漏斗中液面到b′，液面差仍為m（如圖2所示）.此時滲透壓的作用大于壓強差，所以最終的液面差應大于m.

將D選項改編為“若向漏斗中加入適量小于平衡時濃度的蔗糖溶液后，最終的液面差如何呢？”如果繼續(xù)采用上面的假設法進行分析：加入低濃度蔗糖溶液后，漏斗內(nèi)蔗糖溶液濃度將變小，滲透壓降低，但漏斗內(nèi)的液面升高，壓強差變大.此時壓強差大于滲透壓差，將導致漏斗內(nèi)液面下降，漏斗內(nèi)蔗糖溶液的滲透壓升高的同時燒杯液面升高，假設平衡時液面差仍為m，此時無法將壓強差與滲透壓進行比較.還可以用另一種思維方式：將加入的蔗糖溶液分解為加入一定量的蔗糖和一定量的清水.分析如下：單加蔗糖時，m會增大，這很容易分析.單加清水時m會減小，這也容易分析.同時施加兩種因素，則最終的結果不能確定，要考慮添加的水和蔗糖的比例，因此結論應該是m可能增大，可能不變，也可能減小.

2 利用滲透裝置進行實驗驗證

用玻璃紙封閉長頸漏斗的一端，向漏斗內(nèi)加入滴加了少量紅墨水的5%的蔗糖溶液，燒杯中加入清水，組成滲透裝置.根據(jù)上文中的分析，設計兩個實驗加以驗證.

2.1 燒杯中加水實驗

滲透開始時長頸漏斗與燒杯中液面差為3.5 cm（如圖3A；見表1），5 h后液面差為8.2 cm（見表1），10 h后滲透達到平衡，液面差為11.4cm（如圖3B；表1）.之后向燒杯中加入清水，此時液面差為9.6 cm（如圖3C；見表1）.10 h后滲透達到平衡，液面差為10.9 cm（如圖3D；見表1），從而證明了向燒杯中加入清水后液面差會減小.

2.2 長頸漏斗下移實驗

滲透開始時半透膜距離燒杯底部5.3 cm，此時液面差為4 cm（如圖4A所示），5 h后液面差為9 cm（見表2），10 h后滲透達到平衡，液面差為15.6 cm（如圖4B；見表2）.將長頸漏斗下移至半透膜距離燒杯底部1.5 cm，此時液面差為11.8 cm（如圖4C；見表2）.10 h后滲透再次達到平衡，液面差為14 cm（如圖4D；見表2），從而證明了將漏斗下移后液面差會減小.

3 結束語

本文詳解了一道滲透作用例題，這部分內(nèi)容是學生思考中的難點，筆者提出的運用假設以及條件轉化的分析方法可以很好地解決長頸漏斗或者U型管等滲透裝置的問題.通過長頸漏斗這一簡單的裝置驗證了理論分析的正確性，燒杯中加水以及長頸漏斗的上下移實驗也可以作為教材中該實驗的拓展，加深學生對滲透現(xiàn)象的理解，激發(fā)學生的學習興趣.

參考文獻：

［1］ 朱正威.普通高中教科書·生物學[M]. 北京：人民教育出版社，2019.

[2] 北京師范大學，華中師范大學，南京師范大學. 無機化學（上冊）[M]. 北京：高等教育出版社，2020.

［責任編輯：季春陽］

收稿日期：2023-11-05

作者簡介：張國寧（1994.12-），男，山東省聊城人，碩士，從事高中生物教學研究；

張琪（1996.1-），女，山東省濰坊人，博士，從事生物教學研究.