【教學(xué)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(píng)定】

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1、“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(xué)知識(shí)都有聯(lián)系，是需要理、化、生三科知識(shí)綜合解答的一個(gè)熱點(diǎn)問題。 一．與“U型管問題”相關(guān)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(xì)胞膜等生物膜，由于膜上具有載體等結(jié)構(gòu)，且不同生物的細(xì)胞膜上載體種類和數(shù)量不同，因而對(duì)物質(zhì)吸

2、收與否和吸收多少具有選擇性。其特點(diǎn)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(dāng)細(xì)胞死亡時(shí)，細(xì)胞膜便失去選擇透過性，變?yōu)槿感浴３墒斓闹参锛?xì)胞的細(xì)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(xì)胞膜、液泡膜及兩膜間的細(xì)胞質(zhì)看作一層半透膜，它具有選擇透過性。 2．?dāng)U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(shì)，這種由濃集區(qū)域向稀薄區(qū)域的自發(fā)性移動(dòng)稱為擴(kuò)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(yùn)轉(zhuǎn)，直到水

3、分子達(dá)到分布均一而呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)平衡。 滲透作用完全是一種擴(kuò)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(kuò)散。作為擴(kuò)散，它遵循一個(gè)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(shí)間內(nèi)，單位容積溶液中數(shù)目多的一側(cè)向單位容積溶液中數(shù)目少的一側(cè)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(shí)是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過程，直到最后達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。滲透作用的發(fā)生必須具備兩個(gè)條件：一是具有一層半透膜；二是半透膜兩側(cè)溶液具有濃度差。成熟的植物細(xì)胞原生質(zhì)層可看作半透膜，細(xì)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(dāng)然，植物細(xì)胞質(zhì)壁

4、分離與復(fù)原實(shí)驗(yàn)可證實(shí)這一結(jié)論。 3．水勢(shì)和滲透壓 水勢(shì)是水分子的動(dòng)能。在純水中，水分子的動(dòng)能最大，水勢(shì)最高。溶液濃度越大，水勢(shì)越低；反之，溶液濃度越小，水勢(shì)越高。細(xì)胞吸水的主要方式是滲透吸水，取決于水勢(shì)。水分子從水勢(shì)高處流向水勢(shì)低處。水分子移動(dòng)速率，決定于兩者的水勢(shì)差異的大小，差異越大，移動(dòng)越快，反之則越慢。 滲透壓是指阻止水分子通過半透膜進(jìn)入水溶液的壓力。通過高中《生物》教材的演示實(shí)驗(yàn)“滲透作用與水分的流動(dòng)”中，可以知道：溶液中的溶質(zhì)具有能從半透膜的另一側(cè)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(dòng)力。因此，半透膜兩側(cè)的溶液都存在從半透膜對(duì)側(cè)奪取水分的能力，哪一側(cè)吸水能力大，水

5、分子最終向該側(cè)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(guān)。所以，半透膜兩側(cè)溶液中，可以透過膜的溶質(zhì)能夠透過膜通過 擴(kuò)散作用最后在兩側(cè)均勻分布，因而在膜兩側(cè)具有相同的從膜對(duì)側(cè)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(cè)的分布是影響水分在半透膜兩側(cè)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(yùn)動(dòng)達(dá)到平衡時(shí)，需測(cè)哪些物理量，才能求出此時(shí)滲透壓大小，請(qǐng)寫出過程。 甲 乙 水

6、 一段時(shí)間后 h2 h1 蔗糖溶液 半透膜 水 【解析】需測(cè)定乙圖狀態(tài)時(shí)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(duì)滲透膜的壓強(qiáng):P1=r1gh1 漏斗外水對(duì)溶透膜的壓強(qiáng)P2=r水gh2 漏斗內(nèi)的壓強(qiáng)P1大于漏斗外水壓強(qiáng)P2， 壓強(qiáng)

7、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(cè)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(cè)液面高度變化情況。 （一）半透膜固定時(shí)： A B 半透膜 圖1 ①、A側(cè)為清水，B側(cè)為10%蔗糖溶液 ②、A側(cè)為10%蔗糖溶液，B側(cè)為20%蔗糖溶液 ③、A側(cè)為10%葡萄糖溶液，B側(cè)為10%蔗糖溶液 ④、A側(cè)為10%淀粉溶液，B側(cè)為10%蔗糖溶液 ⑤、A側(cè)為1mo

8、lL-1淀粉溶液，B側(cè)為1molL-1蔗糖溶液 [分析] ①水分子可以透過半透膜，蔗糖分子不 A B 半透膜 圖2 △h1 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(shí)間內(nèi)，由A擴(kuò)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(cè) 液面會(huì)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(shí)達(dá)動(dòng)態(tài)平衡。A、B側(cè)液醇化 結(jié)果如圖2。 A B 半透膜 圖3 △h2 ②A、B兩側(cè)蔗糖分子都不能透過半透膜，A側(cè)蔗 糖溶液濃度小于B側(cè)，單位體積A側(cè)蔗糖溶液中水分 子多于B側(cè)。與①相同，A側(cè)液面下降，B側(cè)液面上 升。左至動(dòng)態(tài)平

9、衡。A、B側(cè)液面變化結(jié)果如圖3， 與①相比，△h2<△h1,且由于高度△h2的存在，產(chǎn)生 壓強(qiáng)，B側(cè)溶液濃度始終高于A側(cè)。 ③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(duì)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(cè)溶液滲透壓大于B側(cè)，導(dǎo)致開始單位時(shí)間B側(cè)至A側(cè)的水分子數(shù)多于A側(cè)到B側(cè)，B側(cè)液面下降，A側(cè)液面上升。之后，隨著葡萄糖分子不斷透過半透膜向B側(cè)擴(kuò)散，B側(cè)溶質(zhì)粒數(shù)增多，滲透壓增大，由A側(cè)向B側(cè)擴(kuò)散的水分子數(shù)增多，且多于B側(cè)向A側(cè)的水

10、分子數(shù)，B側(cè)液而逐漸上升，左至A側(cè)擴(kuò)散到B側(cè)與B側(cè)擴(kuò)散到A側(cè)水分子數(shù)相等，達(dá)到態(tài)平衡。A、B側(cè)液面變化如圖4，最終B側(cè)液面高于A側(cè)，A、B兩側(cè)溶液中葡萄糖分子濃度相等。 A B 半透膜 圖4 A B 半透膜 A B 半透膜 △h3 A B 半透膜 圖5 ④蔗糖分子，淀粉分子都不能透過半透膜，淀粉分子 相對(duì)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(cè)滲透壓大于A側(cè)，水分子移動(dòng)總趨 勢(shì)是A側(cè)至B側(cè)，B側(cè)液面上升，如圖5。 圖6 A B 半透膜 ⑤1m

11、olL-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(cè)與B側(cè)滲透壓相等。單位時(shí) 間內(nèi)，由A側(cè)向B側(cè)擴(kuò)散水分子數(shù)與B側(cè)向A側(cè)擴(kuò)散 水分子數(shù)相等，處于動(dòng)態(tài)平衡，如圖6。 （二）、半透膜可以移動(dòng)時(shí)，再分析（一）中的①②③ ④⑤中，A、B側(cè)液面高度變化和半透膜的移動(dòng)情況。 在分析了（一）中各種情況下，再分析半透膜可以移動(dòng)的情況，只經(jīng)抓住A、B側(cè)溶液體積變化會(huì)推動(dòng)半透膜移動(dòng)，并側(cè)A、B側(cè)液面始終保持相平。 圖7 A B 半透膜 ①隨著A側(cè)水分子向側(cè)擴(kuò)散。B側(cè)溶液體 積增大，推動(dòng)半透膜向右側(cè)移動(dòng)至A側(cè)溶液 表面，如圖7。 圖8 A B 半透

12、膜 ②水分子擴(kuò)散總趨勢(shì)是A側(cè)到B側(cè)，B側(cè)蔗 糖溶液體積增大，推動(dòng)半透膜左移，左至AB側(cè) 蔗糖溶液濃度相等，如圖8。 ③先是水分子擴(kuò)散總趨勢(shì)B側(cè)向A側(cè)，A側(cè)溶液體積增大，半透膜右移；之后，隨葡萄糖分子擴(kuò)散，水分子擴(kuò)散總趨勢(shì)A側(cè)到B側(cè)，B側(cè)溶液體積增大，半透膜左移，且一左移向A側(cè)溶液表面，如圖9。 A B 半透膜 圖9 A B 半透膜 半透膜移動(dòng)方向 A B 半透膜 半透膜移動(dòng)方向 圖10 A B 半透膜 ④水分子移動(dòng)總趨勢(shì)是A側(cè)向B側(cè)，B側(cè)溶 液增多，推動(dòng)半透膜向左移，左至A、B兩側(cè)滲 透壓相等，如圖10。 ⑤A

13、、B兩側(cè)溶液滲透壓相等。水分子透過半透膜擴(kuò)散達(dá)動(dòng)至平衡；半透膜不移動(dòng)。 現(xiàn)今高考強(qiáng)調(diào)對(duì)學(xué)生能力的考查。學(xué)生只有在掌握課本基本知識(shí)， 概念，理解的基礎(chǔ)上，才能進(jìn)行能力的培養(yǎng)。上要肯動(dòng)腦，將所學(xué)知識(shí)靈活運(yùn)用，與實(shí)踐相結(jié)合，就能夠提高解題能力。 現(xiàn)在的高考，以及今后的高考，越來越強(qiáng)調(diào)對(duì)學(xué)生綜合能力和素質(zhì)考查，要求比以前越來越高，既考查對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)的領(lǐng)會(huì)程度，又考查對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)和原理的應(yīng)變能力。題目更注重與現(xiàn)實(shí)生活緊密聯(lián)系，來源于實(shí)踐，所以要求學(xué)生夯實(shí)生物學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)，才能對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)和原理進(jìn)行聯(lián)想變通和拓展。更要求教師在教學(xué)過程中特別注意本學(xué)科容易與日常生活實(shí)際相聯(lián)系的知識(shí)點(diǎn)，教會(huì)學(xué)生如何分析實(shí)際問題，如何運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解釋一些現(xiàn)象。為了幫助學(xué)生理解一些知識(shí)點(diǎn)，可稍加拓展，擴(kuò)大學(xué)生知識(shí)面。