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“U型管问题”中的半透膜及发生的渗透作用 晏迟红 上高二中 336400 生物中的“U型管问题”与物理、化学知识都有联系，是需要理、化、生三科知识综合解答的一个热点问题。 一．与“U型管问题”相关的几组概念的辨析 1．半透膜与选择透过性膜 半透膜是指某些物质可以通过，而另一些物质不能透过的多孔性薄膜。例如花生种皮、猪肠衣、鸡卵卵壳膜等都可以做半透膜。水分子可以透过半透膜，而蔗糖分子不能。能否通过半透膜往往取决于分子的大小。蔗糖分子比半透膜孔隙大不能透过，而水分子小能透过。 选择透过性膜是细胞膜等生物膜，由于膜上具有载体等结构，且不同生物的细胞膜上载体种类和数量不同，因而对物质吸收与否和吸收多少具有选择性。其特点是：水分子可自由通过，被选择吸收的小分子、离子可以通过，而其它小分子、离子、大分子却不能通过。由此可知，选择透性膜是一种半透膜，且要求更苛刻。当细胞死亡时，细胞膜便失去选择透过性，变为全透性。成熟的植物细胞的细胞膜、液泡膜都是选择透过性膜，我们可以把原生质层即细胞膜、液泡膜及两膜间的细胞质看作一层半透膜，它具有选择透过性。 2．扩散作用和渗透作用 物质都有从较高浓度区域向较低浓度区域平均分布的趋势，这种由浓集区域向稀薄区域的自发性移动称为扩散。例如：向纯水中滴入红墨水，墨水中色素分子将在水中趋向于平衡分布，水分子也将由密度大的部分向密度小的部分运转，直到水分子达到分布均一而呈现动态平衡。 渗透作用完全是一种扩散，所不同的是指水分子或其它溶剂分子通过半透膜的一种由低溶度溶液向高溶度溶液的扩散。作为扩散，它遵循一个原理，那就是：半透膜允许通过物质（包括溶质、溶剂大、小分子或离子）在相同时间内，单位容积溶液中数目多的一侧向单位容积溶液中数目少的一侧通过的数目多于向相反方向通过的数目。 这些物质通过半透膜时是一个动态的过程，直到最后达到动态平衡。渗透作用的发生必须具备两个条件：一是具有一层半透膜；二是半透膜两侧溶液具有浓度差。成熟的植物细胞原生质层可看作半透膜，细胞液与外界溶液又总存在浓度差，所以满足渗透作用的条件，能发生渗透作用。当然，植物细胞质壁分离与复原实验可证实这一结论。 3．水势和渗透压 水势是水分子的动能。在纯水中，水分子的动能最大，水势最高。溶液浓度越大，水势越低；反之，溶液浓度越小，水势越高。细胞吸水的主要方式是渗透吸水，取决于水势。水分子从水势高处流向水势低处。水分子移动速率，决定于两者的水势差异的大小，差异越大，移动越快，反之则越慢。 渗透压是指阻止水分子通过半透膜进入水溶液的压力。通过高中《生物》教材的演示实验“渗透作用与水分的流动”中，可以知道：溶液中的溶质具有能从半透膜的另一侧吸取水分的能力，即溶液的渗透压，它是渗透作用发生的动力。因此，半透膜两侧的溶液都存在从半透膜对侧夺取水分的能力，哪一侧吸水能力大，水分子最终向该侧通过的数目多。而这种能力即渗透压决定于单位体积溶液中溶质颗粒（分子或离子）数目的多少，而与溶质的种类、大小、质量无关。所以，半透膜两侧溶液中，可以透过膜的溶质能够透过膜通过 扩散作用最后在两侧均匀分布，因而在膜两侧具有相同的从膜对侧吸取水分的能力；而那些不能透过半透膜的物质在半透膜两侧的分布是影响水分在半透膜两侧分布的因素。 二．渗透装置分析 如下图渗透装置甲的膜内外分子运动达到平衡时，需测哪些物理量，才能求出此时渗透压大小，请写出过程。 甲 乙 水 一段时间后 【解析】需测定乙图状态时漏斗内溶液的 密度(1，液面到渗透膜的h1和漏斗外水面 到渗透膜的高度h2。 漏斗内液体对渗透膜的压强:P1=(1gh1 漏斗外水对溶透膜的压强P2=(水gh2 漏斗内的压强P1大于漏斗外水压强P2， 压强差为：(P=P1-P2=(1gh1-(水gh2 即为渗透压P渗=(P 三．“U型管问题”分析 下图一U型管中，A、B侧装有不同溶液或不同浓度的溶液，中央有一半透膜，允许葡萄塘分子通过，不允许蔗糖分子通过，试分析下列情况中A、B侧液面高度变化情况。 （一）半透膜固定时： ①、A侧为清水，B侧为10%蔗糖溶液 ②、A侧为10%蔗糖溶液，B侧为20%蔗糖溶液 ③、A侧为10%葡萄糖溶液，B侧为10%蔗糖溶液 ④、A侧为10%淀粉溶液，B侧为