从受力的角度分析渗透作用

安徽 陈永辉

从受力的角度分析渗透作用

安徽 陈永辉

课本在《物质跨膜运输的实例》一节中讲述了渗透作用有关的知识，进而引出了质壁分离的内容。但是课本上关于渗透作用的理论讲的却很少，只是简单通过动、植物细胞的吸水与失水的例子说明了渗透作用发生的条件与水分子的流动方向。学生更多的只能从感觉上了解渗透作用，很难对渗透作用有关的知识点和题目做更深层次的理论分析。特别是有些渗透作用的题目还涉及扩散现象，学生更是难以理解。在这里笔者结合多年的教学经验从渗透压和物理受力分析的角度来谈谈对有关渗透作用的知识点的理解和有关题目的分析。

一、渗透作用有关知识点的理解

1. 渗透作用的概念

水分子等溶剂分子通过半透膜由低浓度一侧向高浓度一侧扩散的现象就是渗透作用。这里可以看出水分子会由溶质的低浓度一侧向高浓度一侧移动。为什么呢?这就要结合渗透压的概念来分析一下，什么是渗透压？人教版高中生物必修3第一章第一节《人体内环境与稳态》中有叙述“溶液中溶质微粒对水的吸引能力”。从渗透压的概念中可以看出溶质微粒对水分子有吸引力，结合物理学受力分析，可以推断水分子由于受到溶质微粒的吸引力会向溶质微粒方向移动，且单位体积内溶质微粒数越多，对水的吸引力就越强，所以水分子会由溶质的低浓度一侧向高浓度一侧移动。

2. 结合渗透压分析一个结论：红细胞吸水时，水分子有进有出。因为在半透膜两侧都有溶质微粒，对水分子都有吸引力，所以水分子有进有出。当两侧物质的量浓度相等时，对水分子吸引力相等，水分子进出半透膜相当。读到这里大家可能要问：如果红细胞放在蒸馏水中，外面没有溶质微粒对水分子的吸引力了，水分子还是有进有出吗？是。因为红细胞内有溶质微粒，水分子进细胞毋庸置疑，而红细胞由于吸水会膨胀，由于细胞膜的伸缩性，导致细胞对水分子产生压力，所以水分子也会出细胞。那么有没有水分子单向流动的情况呢？有！如图1。

图1

玻璃管右侧是清水，左侧是0.1 mol/L的葡萄糖溶液，中间是能无摩擦滑动的半透膜且半透膜只允许水分子通过。在这里水分子只会向左侧单向流动，因为没有力使水向右侧流动。

3. 为什么比较渗透装置中水分子的流向时，比较的是物质的量浓度而不是其他浓度呢？因为每个溶质微粒对水都有吸引力，而且不论微粒所带电荷的多少、正负，不论微粒的质量、体积大小，它们对水分子的吸引力都是一样的。由此可以看出单位体积内溶质微粒越多，对水分子的吸引力越强，即溶液物质的量浓度越大对水分子的吸引力越大。所以我们在比较溶质物质的量浓度时，比较的是所有溶质的总物质的量浓度。

4. 在学习中我们还发现渗透作用要比较溶质的总物质的量浓度，而自由扩散和协助扩散只要比较扩散对象的浓度即可。渗透作用为什么要比较总物质的量浓度前面已经介绍了，那么自由扩散和协助扩散只要比较扩散对象的浓度而不比较总物质的量浓度又怎样理解呢？在这里某种溶质的浓度势能受其他溶质微粒的影响忽略不计。所以只考虑同种物质物质的量浓度。一般情况下，浓度越高浓度势能越大，所以自由扩散和协助扩散中分子会由高浓度（高势能）一侧向低浓度（低势能）一侧移动。

二、渗透装置的受力分析

为了更好地分析有关题目，先要知道扩散的知识：扩散就是物质由浓度高的一侧向浓度低的一侧移动的现象。扩散的结果：两侧溶质浓度相当。

1. 如图2：半透膜仅容水分子通过，开始两侧液面齐平。问：最终哪侧液面高？哪侧浓度高？

图2

【分析】由于半透膜仅容水分子通过，所以本题只要考虑渗透作用，没有溶质的扩散现象。开始时右侧物质的量浓度大于左侧，由于渗透压的作用右侧溶质对水的吸引力更大，所以水分子向右侧移动，所以最终右侧液面高。

当水分子最终处于相对静止状态，对任意水分子进行受力分析时水分子都受力平衡。我们对水分子进行受力分析发现A侧渗透压（简称渗A）使水受向左侧的力，右侧渗透压（简称渗B）使水受向右侧的力，由于最终液面右侧高于左侧，所以会产生压力，称其静水压。静水压使水分子受向左侧的力。由于水分子受力平衡所以可以得出如下等式：渗B-渗A=静水压，即渗B大于渗A，所以可以推出最终右侧物质的量浓度大于左侧。

还可以得出结论：液面高的一侧物质的量浓度更大。

图3

延伸：

如图3。两端密封玻璃管，中间是能无摩擦滑动的半透膜，且半透膜仅容水分子通过，管长2L，横截面积S。问：最终半透膜向哪移动？移动距离?

【分析】本题同上原因也只考虑渗透作用。分析可以得出如下结论：①两侧物质的量都不变，只有体积在变。②最终静止时两侧物质的量浓度相等，即水分子受力平衡。

解：由分析可知半透膜向左移动。假设半透膜向左移动距离为X，则可以建立如下等式：

0.1*LS/（L-X）S=0.2*LS/（L+X）S 解方程可得：X=1/3L

2. 如图4：A液是0.1 mol/L蔗糖溶液，B液是0.2 mol/L葡萄糖溶液。半透膜容水分子与葡萄糖透过，开始两侧液面齐平。问：左侧液面怎样变化？最终哪侧液面高？

图4

【分析】要想更好地理解本题就要知道①由于半透膜容水分子与葡萄糖通过，水分子通过半透膜是渗透作用，而葡萄糖通过半透膜是扩散现象。所以本题既要考虑渗透作用又要考虑扩散现象。②水分子由于体积较小，所以穿过半透膜的速率比葡萄糖快。③要分析左侧液面变化就要分析U型管的开始状态和液面静止时的最终状态。

开始状态时右侧物质的量浓度大于左侧，所以开始时水分子向右侧移动，左侧液面下降。 最终状态时由于扩散作用，两侧葡萄糖浓度大致相等。但是左侧除了葡萄糖还有蔗糖分子，即左侧溶质总物质的量浓度更大，所以最终左侧液面高于右侧。所以可以得出结论：左侧液面先下降后升高，并且最终左侧液面更高，因为最终左侧物质的量浓度更大。

延伸：①如果把左侧看作一个细胞，就会发现左侧先发生质壁分离后自动复原。原因就是因为右侧的溶质葡萄糖可以穿过半透膜进入左侧。所以可以得出结论：只要使细胞发生质壁分离的外界溶液中的溶质能进入细胞，细胞就可以发生质壁分离的自动复原。

②如图5：

图5

A液是0.1 mol/L蔗糖溶液，B液是0.2 mol/L葡萄糖溶液。玻璃管中间是能无摩擦滑动的半透膜，半透膜容水分子与葡萄糖通过，管长2L，横截面积S。问：半透膜移动方向？移动的位移是多少？

【分析】同上原因本题既要考虑渗透作用又要考虑扩散作用。要分析半透膜移动方向和位移大小，就要分析U型管的开始状态和最终静止时的状态。开始状态时右侧物质的量浓度大于左侧，由于渗透压的作用水向右侧移动，所以半透膜先向左侧移动。最终状态时葡萄糖由于扩散现象两侧浓度大致相等，但是左侧除了葡萄糖还有蔗糖分子，所以左侧溶质对水分子的吸引力永远大于右侧。所以半透膜最终一定向右移动，且一定移动到最右侧为止。所以可以得出结论：半透膜先向左移动后向右移动，移动位移为L。

3. 如图6：A液是蔗糖溶液，B液是葡萄糖溶液。半透膜容水分子、葡萄糖、蔗糖分子通过，开始两侧液面齐平。问：左侧液面怎样变化？最终哪侧液面高？

图6

【分析】由于水分子、葡萄糖、蔗糖都可以通过半透膜，并且水分子通过半透膜是渗透作用，而葡萄糖、蔗糖通过半透膜是扩散现象。所以本题也是既要考虑渗透作用又要考虑扩散现象。要分析左侧液面变化就要分析U型管的开始状态和液面静止时的最终状态。开始状态时右侧物质的量浓度大于左侧，由于渗透压的作用右侧溶质对水的吸引力更大，所以开始时水分子向右侧移动，即左侧液面下降。 最终状态时葡萄糖和蔗糖由于扩散作用两侧浓度相等，所以最终两侧液面齐平。所以可以得出结论：左侧液面先下降后升高，最终两侧液面等高。

（作者单位：安徽省颍上第一中学）