【教學論文】“u型管問題”中的半透膜及發(fā)生的滲透作用【教師職稱評定】

“U型管問題”中的半透膜及發(fā)生的滲透作用晏遲紅上高二中 336400生物中的“U型管問題”與物理、化學知識都有聯(lián)系，是需要理、化、生三科知識綜合解答的一個熱點問題。一與“U型管問題”相關的幾組概念的辨析1半透膜與選擇透過性膜半透膜是指某些物質(zhì)可以通過，而另一些物質(zhì)不能透過的多孔性薄膜。例如花生種皮、豬腸衣、雞卵卵殼膜等都可以做半透膜。水分子可以透過半透膜，而蔗糖分子不能。能否通過半透膜往往取決于分子的大小。蔗糖分子比半透膜孔隙大不能透過，而水分子小能透過。選擇透過性膜是細胞膜等生物膜，由于膜上具有載體等結構，且不同生物的細胞膜上載體種類和數(shù)量不同，因而對物質(zhì)吸收與否和吸收多少具有選擇性。其特點是：水分子可自由通過，被選擇吸收的小分子、離子可以通過，而其它小分子、離子、大分子卻不能通過。由此可知，選擇透性膜是一種半透膜，且要求更苛刻。當細胞死亡時，細胞膜便失去選擇透過性，變?yōu)槿感?。成熟的植物細胞的細胞膜、液泡膜都是選擇透過性膜，我們可以把原生質(zhì)層即細胞膜、液泡膜及兩膜間的細胞質(zhì)看作一層半透膜，它具有選擇透過性。2擴散作用和滲透作用物質(zhì)都有從較高濃度區(qū)域向較低濃度區(qū)域平均分布的趨勢，這種由濃集區(qū)域向稀薄區(qū)域的自發(fā)性移動稱為擴散。例如：向純水中滴入紅墨水，墨水中色素分子將在水中趨向于平衡分布，水分子也將由密度大的部分向密度小的部分運轉，直到水分子達到分布均一而呈現(xiàn)動態(tài)平衡。滲透作用完全是一種擴散，所不同的是指水分子或其它溶劑分子通過半透膜的一種由低溶度溶液向高溶度溶液的擴散。作為擴散，它遵循一個原理，那就是：半透膜允許通過物質(zhì)（包括溶質(zhì)、溶劑大、小分子或離子）在相同時間內(nèi)，單位容積溶液中數(shù)目多的一側向單位容積溶液中數(shù)目少的一側通過的數(shù)目多于向相反方向通過的數(shù)目。 這些物質(zhì)通過半透膜時是一個動態(tài)的過程，直到最后達到動態(tài)平衡。滲透作用的發(fā)生必須具備兩個條件：一是具有一層半透膜；二是半透膜兩側溶液具有濃度差。成熟的植物細胞原生質(zhì)層可看作半透膜，細胞液與外界溶液又總存在濃度差，所以滿足滲透作用的條件，能發(fā)生滲透作用。當然，植物細胞質(zhì)壁分離與復原實驗可證實這一結論。3水勢和滲透壓水勢是水分子的動能。在純水中，水分子的動能最大，水勢最高。溶液濃度越大，水勢越低；反之，溶液濃度越小，水勢越高。細胞吸水的主要方式是滲透吸水，取決于水勢。水分子從水勢高處流向水勢低處。水分子移動速率，決定于兩者的水勢差異的大小，差異越大，移動越快，反之則越慢。滲透壓是指阻止水分子通過半透膜進入水溶液的壓力。通過高中生物教材的演示實驗“滲透作用與水分的流動”中，可以知道：溶液中的溶質(zhì)具有能從半透膜的另一側吸取水分的能力，即溶液的滲透壓，它是滲透作用發(fā)生的動力。因此，半透膜兩側的溶液都存在從半透膜對側奪取水分的能力，哪一側吸水能力大，水分子最終向該側通過的數(shù)目多。而這種能力即滲透壓決定于單位體積溶液中溶質(zhì)顆粒（分子或離子）數(shù)目的多少，而與溶質(zhì)的種類、大小、質(zhì)量無關。所以，半透膜兩側溶液中，可以透過膜的溶質(zhì)能夠透過膜通過 擴散作用最后在兩側均勻分布，因而在膜兩側具有相同的從膜對側吸取水分的能力；而那些不能透過半透膜的物質(zhì)在半透膜兩側的分布是影響水分在半透膜兩側分布的因素。二滲透裝置分析半透膜蔗糖溶液如下圖滲透裝置甲的膜內(nèi)外分子運動達到平衡時，需測哪些物理量，才能求出此時滲透壓大小，請寫出過程。 甲 乙 水 一段時間后 h2h1蔗糖溶液半透膜水【解析】需測定乙圖狀態(tài)時漏斗內(nèi)溶液的密度r1，液面到滲透膜的h1和漏斗外水面到滲透膜的高度h2。 漏斗內(nèi)液體對滲透膜的壓強:P1=r1gh1 漏斗外水對溶透膜的壓強P2=r水gh2 漏斗內(nèi)的壓強P1大于漏斗外水壓強P2， 壓強差為：DP=P1-P2=r1gh1-r水gh2 即為滲透壓P滲=DP 三“U型管問題”分析下圖一U型管中，A、B側裝有不同溶液或不同濃度的溶液，中央有一半透膜，允許葡萄塘分子通過，不允許蔗糖分子通過，試分析下列情況中A、B側液面高度變化情況。（一）半透膜固定時：AB半透膜圖1、A側為清水，B側為10%蔗糖溶液、A側為10%蔗糖溶液，B側為20%蔗糖溶液、A側為10%葡萄糖溶液，B側為10%蔗糖溶液、A側為10%淀粉溶液，B側為10%蔗糖溶液、A側為1molL-1淀粉溶液，B側為1molL-1蔗糖溶液分析 水分子可以透過半透膜，蔗糖分子不AB半透膜圖2h1可以。單位體積清水的水分子數(shù)多于單位體積10%蔗糖溶液中的水分子數(shù)。單位時間內(nèi)，由A擴散到B中的水分子數(shù)高于由B到A的水分子數(shù)，則B側液面會逐漸升高，直至由A到B的水分子數(shù)與由B到A的水分子數(shù)相等時達動態(tài)平衡。A、B側液醇化結果如圖2。AB半透膜圖3h2A、B兩側蔗糖分子都不能透過半透膜，A側蔗糖溶液濃度小于B側，單位體積A側蔗糖溶液中水分子多于B側。與相同，A側液面下降，B側液面上升。左至動態(tài)平衡。A、B側液面變化結果如圖3，與相比，h2<h1,且由于高度h2的存在，產(chǎn)生壓強，B側溶液濃度始終高于A側。水分子、葡萄糖分子可透過半透膜，而蔗糖分子不可以。水分子比葡萄糖分子小，更容易透過半透膜。葡萄糖分子相對分子質(zhì)量小于蔗糖分子，單位體積10%葡萄糖溶液中葡萄糖分子數(shù)（溶質(zhì)顆粒數(shù)）多于單位體積10%蔗糖溶液中蔗糖分子數(shù)（溶質(zhì)顆粒數(shù)），研以A側溶液滲透壓大于B側，導致開始單位時間B側至A側的水分子數(shù)多于A側到B側，B側液面下降，A側液面上升。之后，隨著葡萄糖分子不斷透過半透膜向B側擴散，B側溶質(zhì)粒數(shù)增多，滲透壓增大，由A側向B側擴散的水分子數(shù)增多，且多于B側向A側的水分子數(shù)，B側液而逐漸上升，左至A側擴散到B側與B側擴散到A側水分子數(shù)相等，達到態(tài)平衡。A、B側液面變化如圖4，最終B側液面高于A側，A、B兩側溶液中葡萄糖分子濃度相等。AB半透膜圖4AB半透膜AB半透膜h3AB半透膜圖5蔗糖分子，淀粉分子都不能透過半透膜，淀粉分子相對分子質(zhì)量大于蔗糖分子，單位體積10%淀粉溶液中淀粉分子的（溶質(zhì)顆粒數(shù)）少于單位體積10%蔗糖分子（溶質(zhì)顆粒數(shù)）。所以B側滲透壓大于A側，水分子移動總趨勢是A側至B側，B側液面上升，如圖5。圖6AB半透膜1molL-1淀粉溶液與1molL-1蔗糖溶液等體積情況下，溶質(zhì)顆粒數(shù)相等，A側與B側滲透壓相等。單位時間內(nèi)，由A側向B側擴散水分子數(shù)與B側向A側擴散水分子數(shù)相等，處于動態(tài)平衡，如圖6。（二）、半透膜可以移動時，再分析（一）中的中，A、B側液面高度變化和半透膜的移動情況。在分析了（一）中各種情況下，再分析半透膜可以移動的情況，只經(jīng)抓住A、B側溶液體積變化會推動半透膜移動，并側A、B側液面始終保持相平。圖7AB半透膜隨著A側水分子向側擴散。B側溶液體積增大，推動半透膜向右側移動至A側溶液表面，如圖7。圖8AB半透膜水分子擴散總趨勢是A側到B側，B側蔗糖溶液體積增大，推動半透膜左移，左至AB側蔗糖溶液濃度相等，如圖8。先是水分子擴散總趨勢B側向A側，A側溶液體積增大，半透膜右移；之后，隨葡萄糖分子擴散，水分子擴散總趨勢A側到B側，B側溶液體積增大，半透膜左移，且一左移向A側溶液表面，如圖9。AB半透膜圖9AB半透膜半透膜移動方向AB半透膜半透膜移動方向圖10AB半透膜水分子移動總趨勢是A側向B側，B側溶液增多，推動半透膜向左移，左至A、B兩側滲透壓相等，如圖10。A、B兩側溶液滲透壓相等。水分子透過半透膜擴散達動至平衡；半透膜不移動。現(xiàn)今高考強調(diào)對學生能力的考查。學生只有在掌握課本基本知識， 概念，理解的基礎上，才能進行能力的培養(yǎng)。上要肯動腦，將所學知識靈活運用，與實踐相結合，就能夠提高解題能力?，F(xiàn)在的高考，以及今后的高考，越來越強調(diào)對學生綜合能力和素質(zhì)考查，要求比以前越來越高，既考查對基礎知識的領會程度，又考查對基礎知識和原理的應變能力。題目更注重與現(xiàn)實生活緊密聯(lián)系，來源于實踐，所以要求學生夯實生物學基礎知識，才能對基礎知識和原理進行聯(lián)想變通和拓展。更要求教師在教學過程中特別注意本學科容易與日常生活實際相聯(lián)系的知識點，教會學生如何分析實際問題，如何運用所學知識解釋一些現(xiàn)象。為了幫助學生理解一些知識點，可稍加拓展，擴大學生知識面。