用极端思想解析渗透作用装置的液面变化问题

封志勤

（广西南宁市第三中学，广西 南宁）

人教版普通高中课程标准实验教科书《生物必修1分子与细胞》在第4章第1节“物质跨膜运输的实例”中，一开始就以用玻璃纸封口的长颈漏斗为例引导学生进行问题探讨，从而展开物质跨膜运输方式的学习。水分子通过玻璃纸（半透膜）发生的被动转运就是渗透作用，教材中介绍的装置也是一个非常典型的渗透作用模拟演示装置。渗透作用是植物细胞吸收水分的主要方式，其原理和应用一直是考查的重点，而渗透作用装置中的液面变化分析是学生常常感到头疼的部分，尤其是涉及溶剂和溶质同时能透过半透膜时，更是分析的难点。教师在教学实践中也常常受困于如何更有效地指导学生理解渗透作用的原理，并更快更好地对渗透作用装置液面变化进行分析。本文谨以一道常见的题目为例，尝试引入“极端情况”帮助学生进行分析，以期对教学有所促进。

典型例题

如右图，把体积与质量分数相同的葡萄糖溶液和蔗糖溶液用半透膜隔开（允许水和葡萄糖透过，不允许蔗糖透过），开始和一段时间后液面的情况是 （ ）

A.甲高于乙

B.乙高于甲

C.先甲高于乙，后乙高于甲

D.先乙高于甲，后甲高于乙

学情分析

学生在解此类问题时，由于同时考虑水分子和葡萄糖分子的扩散，很难理清头绪，尤其是最终为什么蔗糖溶液一边的液面会高于葡萄糖，学生往往无法理解而只能死记答案。笔者在教学实践中尝试引入了“极端法”的思想，以帮助学生避开纷繁复杂的中间过程，使结论更直接地呈现，更容易被学生理解和接受。所谓“极端法”也就是一种“极限思维”，就是根据变化发展的事物，在特定的条件下，具有一定的发展限度而产生的一种思维模式。即借助对事物发展的极限这一特定情形加以考查分析，从而实现认识事物发展的一般规律。

解析过程

一、开始阶段的分析

①葡萄糖与蔗糖溶液的质量分数相同，由于葡萄糖是单糖，蔗糖是二糖，蔗糖的分子量较大，因此蔗糖溶液的物质的量浓度较低，水分开始时从蔗糖溶液一侧向葡萄糖溶液一侧扩散。（注：质量分数相同的溶液其溶质物质的量浓度不一定相同，此为本题解答中隐藏的另一难点，但该难点与学生的理化基础知识掌握程度有关，本文不再赘述。）

②由于葡萄糖也能透过半透膜，从葡萄糖的扩散方向来看，乙侧起初没有葡萄糖分子存在，因此葡萄糖分子在开始时从葡萄糖溶液一侧向蔗糖溶液一侧扩散。但由于葡萄糖并非溶剂，其对溶液体积的影响较小。

综合①②的分析，可知开始阶段甲侧液面先升高，甲高于乙。

二、最终状态的分析

③由于葡萄糖分子向蔗糖溶液一侧扩散，同时蔗糖溶液中的水分子又向葡萄糖溶液一侧扩散，造成甲侧的溶液浓度降低，而乙侧的溶液浓度升高，为避开在溶液浓度不断变化的过程中反复繁杂的分析，可直接考虑极端情况，即最终两侧溶液扩散达到平衡时的溶液浓度。此时乙侧溶液中的溶质为原有的蔗糖加上甲侧扩散而来的部分葡萄糖，而甲侧溶液中的溶质仅为葡萄糖。

④先假设不考虑蔗糖分子的影响（此即一种极端情况，先仅考虑一种溶质的扩散），从水分子和葡萄糖分子的扩散来看，达到平衡时甲乙两侧的水分子和葡萄糖分子数都应几乎相等，即此时甲乙液面高度相等。但需注意：此结果仅仅是对“极端情况”的一种推理，最终状态分析的关键在于分析“极端情况”下的状态能否维持！

综合③④分析，从③可知乙侧还存在蔗糖分子，可见实际上此时乙侧溶液中的总溶质多于甲侧，因此根据渗透作用的原理易推知此时甲乙两侧液面不可能保持平衡，水分应继续从甲侧向乙侧扩散。因此最终达到平衡时的液面应为乙高于甲，答案为C。

教学反思

渗透作用装置的题目灵活多变，本文限于篇幅仅举一例分析。本文所选例题属于较难的题型，但这类难题往往也是进行方法教学的机会，如能通过适当的方法使学生理解难题的分析过程，不但能提高学生的思维能力，也能让学生体会到正确方法的重要性，使学生将注意力更多地从答案转移到解析过程中来，从而达到“授人以渔”的目的。从学生的反馈情况来看，通过“极端情况”的假设分析，多数学生都能较好地理解答案，特别是最终的液面情况，也避免了只针对水分子的扩散进行分析时容易出现的反复情况，掌握“极端法”这种避繁就简的方法，从而提高分析解决问题的能力。

在帮助学生总结分析渗透作用的易错题过程中，笔者感觉还有以下几点应该加以注意：（1）水分子渗透的方向仅取决于溶液中溶质的总浓度，而与溶质的种类无关；（2）某种物质穿过膜的扩散仅与该物质的浓度有关，而与其他任何溶质的浓度无关；（3）渗透作用的分析中所讲的“浓度”都是指“溶质颗粒的物质的量浓度”，而不是“质量分数”；（4）“溶质颗粒的物质的量浓度”提示我们要注意溶质在溶液中的存在形式，例如等体积的1mol/L NaCl溶液和1mol/L葡萄糖溶液中，由于NaCl以Na+和Cl-形式存在而葡萄糖以分子形式存在，因此NaCl溶液中的溶质颗粒浓度是大于葡萄糖溶液的。这部分理论知识有人认为已经超出了高中的能力要求，但是笔者认为作为教师应该主动学习，加强自身的知识储备，而不是只满足于应付考试的要求，只有这样才能不断提高自己，带动学生，从而在教学中更游刃有余。