通过实验加深对“渗透作用”和“渗透压”概念的理解

包翠敏

(上海金苹果学校 201208)

在生物学教学中，学生往往对实验特别感兴趣。究其原因，是在实验中学生能够体验动手操作与合作的快乐与满足，但实验课也存在一定的局限性，即学生对知识的掌握仅仅停留在感性的认识上，缺乏对实验现象原因的深度思考。因此，如果在实验之后能够再重新认识实验，进一步分析、总结实验现象和原理，实验才会更具价值。

例如，在进行“植物细胞的质壁分离和复原”实验之后，对实验现象进一步分析和探究，将会使学生更好地理解该实验的原理，同时还能加深对“渗透作用”和“渗透压”这2个抽象概念的理解，并能解释一些相关的生命现象。

1 对“质壁分离和复原实验”的再认识

1.1 质壁分离和复原实验及原理 由实验现象可知，当把洋葱表皮细胞浸在30%蔗糖溶液中时，由于细胞失水导致原生质层随之缩小，而细胞壁的伸缩性较小，因而出现质壁分离现象。由此可以得出的结论是：当外界溶液浓度大于细胞液浓度时，细胞失水；反之细胞吸水。

1.2 成熟的植物细胞构成一个渗透系统 首先给出一个装置如图1，并按图示进行实验A；实验B与实验A的装置相同，但要用针将半透膜扎多个小孔，破坏半透膜的半透性；实验C与实验A的差别是漏斗内外都是30%的蔗糖溶液。三组实验在初始时需保持内外液面相平。观察实验现象，几分钟后实验A装置中漏斗内液面上升；实验B和C装置的漏斗内外液面没有明显变化。进一步思考：①烧杯中的水分子为什么会进入漏斗中? ②漏斗内的液面会不会一直上升?为什么? ③实验B、C中的液面为什么没有变化？

图1 渗透系统实验装置图

实验分析：在实验A装置中，蔗糖分子不能通过半透膜，漏斗外单位体积中水分子的数量明显大于漏斗内水分子的数量，导致水分子从漏斗外流向漏斗内，进而漏斗内液面增高。由此可判断水分子从低浓度溶液流向高浓度溶液。由于大量水分子透过半透膜由外向内运动，就会对半透膜产生一个向上的压力；同时漏斗内的液面升高而形成的水柱同样会对半透膜产生一个向下的压力。当两个力相平衡时水柱不再升高。在实验B中，由于破坏了半透膜的半透性，蔗糖分子会通过小孔扩散到烧杯中，故不会发生渗透作用；实验C与A相比，由于内外没有浓度差, 所以也没有发生渗透作用。

实验结论：渗透作用发生的条件是需要完好的半透膜和半透膜两侧存在浓度差。推论：成熟的植物细胞具备了发生渗透作用的两个条件，其原生质层相当于半透膜；细胞液和外界溶液存在浓度差，因此成熟的植物细胞构成了一个渗透系统。

2 对“渗透作用”概念的理解

2.1 渗透作用的概念 渗透作用指两种不同浓度的溶液隔以半透膜，水分子或其他溶剂分子从低浓度的溶液通过半透膜进入高浓度溶液中的现象。

2.2 渗透作用的原理 在水分子的渗透过程中，水分子是由水势高的一侧向水势低的一侧运动。水势是指每摩尔水分子所具有的可用于做功的能量，在温度和压力恒定的条件下，纯水的水势最高，水溶液的浓度与水势高低成反比。根据热力学原理，系统中物质的总能量可分为束缚能和自由能两部分，束缚能不能转化为用于做功的能量，而自由能是在温度恒定的条件下用于做功的能量。

水势可理解为每摩尔水分子所具有的自由能(可用于做功的能量)。任何溶液中都含有溶质，水分子因与溶质分子相互作用而消耗了自由能，使水势下降；又由于溶质的存在，一部分水呈束缚状态，减少了自由水的含量，从而也降低了自由能。因此，导致水分子的运动总是从溶液浓度低的一侧向溶液浓度高的一侧运动，即水分子总是从水势高的一侧向水势低的一侧运动。

3 对“渗透压”概念的理解

渗透压是内环境稳态的一个重要指标。渗透压是指阻止水分子通过半透膜进入水溶液的压力，细胞的渗透压则是阻止水分子通过细胞膜外排的压力。渗透压的大小与溶质微粒数多少成正相关，与微粒大小无关。

因此，细胞内的微粒数越多，水势越小，水分子外排的压力就越大，即渗透压越大，表现为细胞吸水能力越强。细胞外液的渗透压指的是血浆、组织液、淋巴等液体中各种溶质微粒，如蛋白质、无机盐离子等对水分子的吸引力。溶质微粒越多，渗透压越高。例如，1mol/L电解质NaCl可解离成1mol/L Na+和1mol/L Cl-，形成的渗透压为2Osm/L，而1mol/L的葡萄糖所形成的渗透压为1Osm/L。显然，相同浓度的不同溶液，其渗透压不一定相同。

4 渗透作用原理的应用

4.1 农业生产上的应用 依据渗透作用的原理，可以测定植物细胞的细胞液浓度大小，为农作物的灌溉和施肥提供理论依据。

4.2 为水和电解质平衡提供理论依据 例如，当食物过咸、饮水不足或大量出汗时，导致血浆浓度增大，血浆渗透压升高。此时，一方面组织液中的水分向血浆中扩散(严重者会引起细胞脱水)；另一方面能引起下丘脑渴觉中枢兴奋，大脑皮层产生渴觉而主动积极的饮水；还会引起下丘脑分泌的抗利尿激素增多，尿量减少，促使血浆渗透压下降，维持内环境的稳定。这种神经和体液的共同调节作用体现了生命活动的高度协调和统一。

4.3 在疾病的防治中提供理论依据 例如，在饮食中限制盐的摄入量可以预防高血压；出现过敏反应时，组织胺会导致过敏部位毛细血管通透性增大，组织液渗透压升高而出现组织水肿；肾炎患者出现蛋白尿后导致组织水肿；人体在患有急性肠胃炎时，需要静脉滴注生理盐水来维持水和电解质的平衡等。学生掌握了相关的理论知识后，可提高自我保健意识。