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【转载】浅析渗透平衡时半透膜两侧浓度有时却不相等的原因  

2017-12-12 22:10:45|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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曾从江.生物学教学.2016年第3

例题(2013江苏高考题)图1为研究渗透作用的实验装置,请回答下列问题:漏斗内溶液(S1)和漏斗外溶液(S2)为两种不同浓度的蔗糖溶液,漏斗内外起始液面一致。渗透平衡时的液面差为△h,此时S1和S2浓度大小关系为_________。

 浅析渗透平衡时半透膜两侧浓度有时却不相等的原因 - 天马行空 - 天马行空的网易博客

本题的正确答案是S1>S2,但是绝多大数学生给出的答案是S1=S2。其依据是发生渗透作用的条件为:一具有半透膜;二具有浓度差。所以漏斗内液面上升,当渗透平衡时自然就有S1=S2。而对于正确答案S1>S2,一些学生就想不通,他们认为如果还具有浓度差,漏斗内液面应该继续上升才对,怎么会渗透平衡呢?有些学生虽然选择了正确答案S1>S2,但他们也解释不清楚原因,仅仅是参考教材中的内容和插图进行推理(因教材中装置图与图1类似,不同之处是漏斗外溶液为清水。显然渗透平衡时蔗糖溶液浓度大于清水浓度)。对于平衡时还具有浓度差的原因,有学生回答是大气压,也有个别学生回答是漏斗内水柱升高产生的水压增强。那到底是大气压还是水压呢?

1建立溶液渗透压的数学模型

高中生物学教材必修三《稳态与环境》(人教版)中描述:所谓渗透压,简单地说,是指溶液中溶质微粒对水的吸引力。溶液渗透压的大小取决于单位体积溶液中溶质微粒的数目:溶质微粒越多,即溶液浓度越高,对水的吸引力越大;反过来,溶质微粒越少,即溶液浓度越低,溶液渗透压越低。

根据上述的文字描述建立渗透压的数学关系式:F=k·n/v或F=kS(F表示渗透压,k是常数,n是溶质微粒的数目,v是体积,S是物质的量浓度即上述文字中所描述的溶液浓度)。

2构建渗透平衡时的物理数学模型

2.1渗透过程中的受力分析

漏斗内的蔗糖溶液(S1)中存在着溶质微粒对漏斗外的蔗糖溶液(S2)中水的吸引力,即渗透压,用F1表示,方向向上。同理,漏斗外的蔗糖溶液(S2)产生的渗透压用F2表示,方向向下。由于S1与S2为两种不同浓度的蔗糖溶液,故F1≠F2,从图1可以看出漏斗内液面上升,故外观上即有S1溶液通过半透膜的孔径对S2溶液吸水,因此漏斗内外起始液面一致时,F1>F2。起始时S1溶液通过半透膜的孔径对S2溶液吸收的水量大于S2溶液通过半透膜的孔径对S1溶液吸收的水量,外观上表现为S1吸水,S2失水,漏斗内液面上升,漏斗外液面下降。漏斗内液面上升过程中漏斗内水的质量增加,重力增大,用△G表示水的重力增量,方向向下。则半透膜孔径处的水分子受到了F1,F2,△G三力共同的作用(如图2),方向分别是向上,向下,向下。

浅析渗透平衡时半透膜两侧浓度有时却不相等的原因 - 天马行空 - 天马行空的网易博客 

2.2构建渗透平衡时的数学关系式

在不考虑大气压力的作用下,渗透过程中将受到三力的作用。S1吸水,浓度降低,渗透压减小,即F1减小;同时漏斗内水量增多使△G增大;S2失水,浓度升高,渗透压增大,即F2增大。当F1=△G+F2时,即出现渗透平衡,漏斗内液面停止上升,当然也不下降。

故F1=△G+F2 => F1-F2=△G>0 => F1-F2>0 => kS1-kS2>O =>S1-S2>0 => S1>S2,因此渗透平衡时S1>S2,且漏斗内水柱升高对半透膜的压力增强,使漏斗外的水分子进入漏斗内的阻力增大,这是渗透平衡时虽然有浓度差,但漏斗内液面却不上升的原因。

3大气压是导致液面不再上升的原因吗

从以上分析可知,按照渗透作用产生的两个基本条件(半透膜和膜两侧具有浓度差)漏斗内液面应该继续上升,而漏斗内液面实际上没再上升是由于漏斗内水向下的重力增加的缘故。这是在没考虑大气压力的情况下分析得到的,那么大气压力有没有阻止漏斗内液面不再上升呢?漏斗内液面上升过程中,受到的大气压力逐渐减小,方向向下(因为大气顶层到漏斗内液面的高度减小);漏斗外液面渐渐下降,受到的大气压力逐渐增大,方向向下(因为大气顶层到漏斗外液面的高度增大),所以漏斗外液面受到的大气压力大于漏斗内液面受到的大气压力。根据作用力与反作用力,漏斗外液面受到的大气压力应作用于漏斗内,方向向上。按理漏斗外液面的大气压力会挤压漏斗外的水分子进入漏斗内,导致漏斗内液面继续上升。然而漏斗内液面此时并没有继续上升,分析其原因是水柱升高产生的压力大于大气压力的作用所产生的效果。

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