【教学论文】“u型管问题”中的半透膜及发生的渗透作用【教师职称评定】

“U型管问题”中的半透膜及发生的渗透作用晏迟红上高二中 336400生物中的“U型管问题”与物理、化学知识都有联系，是需要理、化、生三科知识综合解答的一个热点问题。一与“U型管问题”相关的几组概念的辨析1半透膜与选择透过性膜半透膜是指某些物质可以通过，而另一些物质不能透过的多孔性薄膜。例如花生种皮、猪肠衣、鸡卵卵壳膜等都可以做半透膜。水分子可以透过半透膜，而蔗糖分子不能。能否通过半透膜往往取决于分子的大小。蔗糖分子比半透膜孔隙大不能透过，而水分子小能透过。选择透过性膜是细胞膜等生物膜，由于膜上具有载体等结构，且不同生物的细胞膜上载体种类和数量不同，因而对物质吸收与否和吸收多少具有选择性。其特点是：水分子可自由通过，被选择吸收的小分子、离子可以通过，而其它小分子、离子、大分子却不能通过。由此可知，选择透性膜是一种半透膜，且要求更苛刻。当细胞死亡时，细胞膜便失去选择透过性，变为全透性。成熟的植物细胞的细胞膜、液泡膜都是选择透过性膜，我们可以把原生质层即细胞膜、液泡膜及两膜间的细胞质看作一层半透膜，它具有选择透过性。2扩散作用和渗透作用物质都有从较高浓度区域向较低浓度区域平均分布的趋势，这种由浓集区域向稀薄区域的自发性移动称为扩散。例如：向纯水中滴入红墨水，墨水中色素分子将在水中趋向于平衡分布，水分子也将由密度大的部分向密度小的部分运转，直到水分子达到分布均一而呈现动态平衡。渗透作用完全是一种扩散，所不同的是指水分子或其它溶剂分子通过半透膜的一种由低溶度溶液向高溶度溶液的扩散。作为扩散，它遵循一个原理，那就是：半透膜允许通过物质（包括溶质、溶剂大、小分子或离子）在相同时间内，单位容积溶液中数目多的一侧向单位容积溶液中数目少的一侧通过的数目多于向相反方向通过的数目。 这些物质通过半透膜时是一个动态的过程，直到最后达到动态平衡。渗透作用的发生必须具备两个条件：一是具有一层半透膜；二是半透膜两侧溶液具有浓度差。成熟的植物细胞原生质层可看作半透膜，细胞液与外界溶液又总存在浓度差，所以满足渗透作用的条件，能发生渗透作用。当然，植物细胞质壁分离与复原实验可证实这一结论。3水势和渗透压水势是水分子的动能。在纯水中，水分子的动能最大，水势最高。溶液浓度越大，水势越低；反之，溶液浓度越小，水势越高。细胞吸水的主要方式是渗透吸水，取决于水势。水分子从水势高处流向水势低处。水分子移动速率，决定于两者的水势差异的大小，差异越大，移动越快，反之则越慢。渗透压是指阻止水分子通过半透膜进入水溶液的压力。通过高中生物教材的演示实验“渗透作用与水分的流动”中，可以知道：溶液中的溶质具有能从半透膜的另一侧吸取水分的能力，即溶液的渗透压，它是渗透作用发生的动力。因此，半透膜两侧的溶液都存在从半透膜对侧夺取水分的能力，哪一侧吸水能力大，水分子最终向该侧通过的数目多。而这种能力即渗透压决定于单位体积溶液中溶质颗粒（分子或离子）数目的多少，而与溶质的种类、大小、质量无关。所以，半透膜两侧溶液中，可以透过膜的溶质能够透过膜通过 扩散作用最后在两侧均匀分布，因而在膜两侧具有相同的从膜对侧吸取水分的能力；而那些不能透过半透膜的物质在半透膜两侧的分布是影响水分在半透膜两侧分布的因素。二渗透装置分析半透膜蔗糖溶液如下图渗透装置甲的膜内外分子运动达到平衡时，需测哪些物理量，才能求出此时渗透压大小，请写出过程。 甲 乙 水 一段时间后 h2h1蔗糖溶液半透膜水【解析】需测定乙图状态时漏斗内溶液的密度r1，液面到渗透膜的h1和漏斗外水面到渗透膜的高度h2。 漏斗内液体对渗透膜的压强:P1=r1gh1 漏斗外水对溶透膜的压强P2=r水gh2 漏斗内的压强P1大于漏斗外水压强P2， 压强差为：DP=P1-P2=r1gh1-r水gh2 即为渗透压P渗=DP 三“U型管问题”分析下图一U型管中，A、B侧装有不同溶液或不同浓度的溶液，中央有一半透膜，允许葡萄塘分子通过，不允许蔗糖分子通过，试分析下列情况中A、B侧液面高度变化情况。（一）半透膜固定时：AB半透膜图1、A侧为清水，B侧为10%蔗糖溶液、A侧为10%蔗糖溶液，B侧为20%蔗糖溶液、A侧为10%葡萄糖溶液，B侧为10%蔗糖溶液、A侧为10%淀粉溶液，B侧为10%蔗糖溶液、A侧为1molL-1淀粉溶液，B侧为1molL-1蔗糖溶液分析 水分子可以透过半透膜，蔗糖分子不AB半透膜图2h1可以。单位体积清水的水分子数多于单位体积10%蔗糖溶液中的水分子数。单位时间内，由A扩散到B中的水分子数高于由B到A的水分子数，则B侧液面会逐渐升高，直至由A到B的水分子数与由B到A的水分子数相等时达动态平衡。A、B侧液醇化结果如图2。AB半透膜图3h2A、B两侧蔗糖分子都不能透过半透膜，A侧蔗糖溶液浓度小于B侧，单位体积A侧蔗糖溶液中水分子多于B侧。与相同，A侧液面下降，B侧液面上升。左至动态平衡。A、B侧液面变化结果如图3，与相比，h2h1,且由于高度h2的存在，产生压强，B侧溶液浓度始终高于A侧。水分子、葡萄糖分子可透过半透膜，而蔗糖分子不可以。水分子比葡萄糖分子小，更容易透过半透膜。葡萄糖分子相对分子质量小于蔗糖分子，单位体积10%葡萄糖溶液中葡萄糖分子数（溶质颗粒数）多于单位体积10%蔗糖溶液中蔗糖分子数（溶质颗粒数），研以A侧溶液渗透压大于B侧，导致开始单位时间B侧至A侧的水分子数多于A侧到B侧，B侧液面下降，A侧液面上升。之后，随着葡萄糖分子不断透过半透膜向B侧扩散，B侧溶质粒数增多，渗透压增大，由A侧向B侧扩散的水分子数增多，且多于B侧向A侧的水分子数，B侧液而逐渐上升，左至A侧扩散到B侧与B侧扩散到A侧水分子数相等，达到态平衡。A、B侧液面变化如图4，最终B侧液面高于A侧，A、B两侧溶液中葡萄糖分子浓度相等。AB半透膜图4AB半透膜AB半透膜h3AB半透膜图5蔗糖分子，淀粉分子都不能透过半透膜，淀粉分子相对分子质量大于蔗糖分子，单位体积10%淀粉溶液中淀粉分子的（溶质颗粒数）少于单位体积10%蔗糖分子（溶质颗粒数）。所以B侧渗透压大于A侧，水分子移动总趋势是A侧至B侧，B侧液面上升，如图5。图6AB半透膜1molL-1淀粉溶液与1molL-1蔗糖溶液等体积情况下，溶质颗粒数相等，A侧与B侧渗透压相等。单位时间内，由A侧向B侧扩散水分子数与B侧向A侧扩散水分子数相等，处于动态平衡，如图6。（二）、半透膜可以移动时，再分析（一）中的中，A、B侧液面高度变化和半透膜的移动情况。在分析了（一）中各种情况下，再分析半透膜可以移动的情况，只经抓住A、B侧溶液体积变化会推动半透膜移动，并侧A、B侧液面始终保持相平。图7AB半透膜随着A侧水分子向侧扩散。B侧溶液体积增大，推动半透膜向右侧移动至A侧溶液表面，如图7。图8AB半透膜水分子扩散总趋势是A侧到B侧，B侧蔗糖溶液体积增大，推动半透膜左移，左至AB侧蔗糖溶液浓度相等，如图8。先是水分子扩散总趋势B侧向A侧，A侧溶液体积增大，半透膜右移；之后，随葡萄糖分子扩散，水分子扩散总趋势A侧到B侧，B侧溶液体积增大，半透膜左移，且一左移向A侧溶液表面，如图9。AB半透膜图9AB半透膜半透膜移动方向AB半透膜半透膜移动方向图10AB半透膜水分子移动总趋势是A侧向B侧，B侧溶液增多，推动半透膜向左移，左至A、B两侧渗透压相等，如图10。A、B两侧溶液渗透压相等。水分子透过半透膜扩散达动至平衡；半透膜不移动。现今高考强调对学生能力的考查。学生只有在掌握课本基本知识， 概念，理解的基础上，才能进行能力的培养。上要肯动脑，将所学知识灵活运用，与实践相结合，就能够提高解题能力。现在的高考，以及今后的高考，越来越强调对学生综合能力和素质考查，要求比以前越来越高，既考查对基础知识的领会程度，又考查对基础知识和原理的应变能力。题目更注重与现实生活紧密联系，来源于实践，所以要求学生夯实生物学基础知识，才能对基础知识和原理进行联想变通和拓展。更要求教师在教学过程中特别注意本学科容易与日常生活实际相联系的知识点，教会学生如何分析实际问题，如何运用所学知识解释一些现象。为了帮助学生理解一些知识点，可稍加拓展，扩大学生知识面。