对“渗透作用”的一道题的思考

-1-对“渗透作用”的一道题的思考重庆市云阳凤鸣中学楚维一、渗透装置的一道经典题目如果将质量分数为10%的葡萄糖溶液和质量分数为10%的蔗糖溶液分别放入U形管的左右两侧，中间用半透膜隔开（葡萄糖和蔗糖分子均不能通过），如右图所示。开始时液面齐平，一段时间后A左侧高于右侧B右侧高于左侧C左右两侧一样D无法确定葡萄糖溶液蔗糖溶液错误分析一：如下假设：左边取10克葡萄糖，90克水，即为10%的葡萄糖溶液，右侧取10克蔗糖（分子数少于葡萄糖分子数），90克水，即为10%的蔗糖溶液，两者的总质量相等，质量百分比也相等。虽然两者的溶质分子数不相同，但是，其溶剂水均为90克，故溶剂的分子数相等。而两边起初的体积是相同的，故水的物质的量浓度相等。水分子流动处于动态平衡。错误分析一中的推理，是在质量百分比相同的条件下，假定了两者溶质溶剂质量相等，然后利用两者体积相同来得出两者水的物质的量浓度相等。而实际上等质量的10%的蔗糖溶液和葡萄糖溶液，其体积就不可能相等了。我们可以举个例子：把1mol葡萄糖和2mol葡萄糖分别放入等量的水中，中间用半透膜隔开（如右图所示），一定会发生渗透作用。但是，如若体积还相同的话，那水的物质的量浓度也相同，那不是不会发生渗透作用吗？因此，而错误分析一中，10g葡萄糖和蔗糖分别加入90g水中，两者的体积也是不会相同的，而分析中却又利用已知条件体积相同来分析。其实，正是由于等质量的、等质量百分比的两种溶液加入到U形管两边时，蔗糖溶液体积小些，要达到题目所要求的体积相等的话，还要加入10%的蔗糖溶液到右侧，才能与左边的葡萄糖溶液平齐，因此使得右侧溶质和溶剂的质量都大于左侧，而体积又相等，才使水流动到1mol2mol-2-左边多些。错误分析二：许多资料上是如下解释这道题的。既然质量百分比浓度相同，因此在两者质量相等的情况下，由于葡萄糖是单糖，蔗糖是二糖，蔗糖的分子量比葡萄糖大。所以蔗糖的分子数比葡萄糖少，而由于体积是相同的，所以蔗糖的物质的量浓度小于葡萄糖的物质的量浓度。反过来，则蔗糖溶液中的水分子的物质的量浓度比葡萄糖水分子的物质的量浓度大，故由右侧流向左侧。错误分析二中，看起来是对的，而实际上犯了更多的错误。首先，如错误分析一中的那样，在质量百分比相同的条件下，假定了质量相等的前提，蔗糖的分子数要少，又利用体积相等，来得出蔗糖的物质的量浓度小于葡萄糖的物质的量浓度。他之所以看起来是对的，是因为配置溶液时，等量的两种溶质加入到等量的溶剂中，结果是蔗糖溶液的体积要略微小些，但是，蔗糖的物质的量比葡萄糖的物质的量要少将近1半，因此，仍然是蔗糖的物质的量浓度小些。但是，我们不能因此而忽略体积的变化，否则，就会得出如错误分析一中分析的那样，由于溶剂分子数相同，体积相同，水只能处于动态平衡中。在这个错误的基础上，又错误的去分析水的物质的量浓度的关系。我们现在取出等体积的10%的蔗糖溶液和葡萄糖溶液。那么体积相同的话，水的物质的量浓度可以由水分子的数目多少来决定，那么在相同的体积中，水分子到底哪个多呢？虽然蔗糖的分子数少于葡萄糖分子数，但是，每个蔗糖分子所占的空间体积比每个葡萄糖分子的空间体积却要大，又怎么能够推导出蔗糖溶液中水的分子数多呢？如右图所示：左边正方形1代表葡萄糖溶液，右边正方形2代表蔗糖溶液，两者体积相同，A代表葡萄糖分子，B代表蔗糖分子，纵然B的分子数少于A的分子数；但是，B中的每个蔗糖分子所占空间实际比A大，所以，最终还是无法判断水分子数量的多少。而实际上，是因为B的质量大于A的质量，而质量百分比要相同的话，2中的溶剂的量也要大于1中溶剂的量。为什么？请看正确分析。正确的分析：等质量百分比浓度的条件下，蔗糖溶液的密度事实上大于葡萄糖溶液的密度，AB葡萄糖溶液蔗糖溶液12-3-两边的体积起初是相同的，由M=pv知道，两边的总质量并不相同，右侧蔗糖溶液的总质量是大于葡萄糖溶液的总质量。即蔗糖溶液（溶质2+溶剂2）葡萄糖溶液（溶质1+溶剂1）又由于两者的质量分数相同，即：222111溶剂溶质溶质溶剂溶质溶质MMMMMM将分式颠倒，两边抵消1，不难推导M溶质2M溶质1，M溶剂2M溶剂1。既然溶剂2（蔗糖溶液中的水分子）比溶剂1（葡萄糖溶液中的水分子）多，而体积又相等，因此蔗糖溶液中水的物质的量浓度大于葡萄糖中物质的量浓度。当然水要从右侧流向左侧。综上所述，在体积和质量百分比相同的条件下，根据密度公式的推算，实际上蔗糖的质量大于葡萄糖，并且，蔗糖溶液中的水的质量也大于葡萄糖溶液中水的质量，水的物质的量浓度也要大于葡萄糖溶液中的物质的量浓度。故正确的答案为A。可见解题时，不是由溶质的物质的量的浓度来推导溶剂的物质的量浓度，反而是由溶液或溶质的质量来推导溶剂的物质的量浓度。由此，我们得到如下经验：第一，水分子渗透的方向应该由水分子的物质的量浓度的大小来决定。第二，相同体积的，等质量百分比浓度的不同物质，他们的物质的量百分比浓度不一定相等。举个例子来说，等体积的10%的葡萄糖溶液和10%的高分子蛋白质溶液，显然其物质的量浓度不同。这与不同溶质的分子量有关，与不同的溶质与溶剂分子间距离有关。二、有关渗透作用的类似题型分析1、同上面题目，只是将条件改为半透膜允许溶剂和葡萄糖通过，而不允许蔗糖通过,左右两侧液面开始和一段时间后液面的情况是：A左侧高于右侧B右侧高于左侧C先左侧高于右侧，后右侧高于左侧D先左侧低于右侧，后右侧低于左册分析：先应该右侧的水分子物质的量浓度大于左侧，故水一开始就进入左侧，与此同时，葡萄糖也从左侧渗透扩散进入右侧，因此，最后右侧不但有蔗糖溶液还有葡萄糖溶液，而左侧只有葡萄糖溶液，显然左侧的水比右侧的物质的量浓度-4-大，故最后水要从左侧进入到右侧。因此正确答案为C。2、右图为渗透作用实验示意图，开始如图一，A代表清水，B、C代表蔗糖溶液，过一段时间后结果如图二，漏斗管内液面不再变化，H1、H2表示漏斗管内液面与清水的液面差，下列说法错误的是：A图一中B的浓度大于C的浓度B图二中B的浓度等于C的浓度C图一中A中的水分子扩散到B的速度大于A中水分子扩散到C的速度D图二中A中的水分子扩散到B的速度等于B中水分子扩散到A的速度分析：由于H1大于H2，说明，B蔗糖溶液渗透压大于C蔗糖溶液渗透压，即起初应该B溶液浓度大于C溶液浓度。在图二中，B、C溶液均达到动态平衡，故A进入B中和B进入A中的水分子数达到动态平衡，同理，A进入C中和C进入A中的水分子数也达到动态平衡。但是，是否使得B、C中溶液浓度达到相等呢？无法判断，因为B中溶质多些，但其溶剂也多些。因此正确答案为B。只有B是错误的。3、为了解细胞膜内外溶液浓度差异对水分扩散的影响，设计了如下实验，在一长方体密封箱内，正中P为一个可以左右无摩擦滑动的半透膜，A室与B室空间相同，A室内充满2mol/L的蔗糖溶液，B室充满1mol/L的蔗糖溶液。分析说明：（1）实验开始后，P向方向移动，原因是。（2）P移动到箱外标记的何处可停止。（3）停止后的A、B两室蔗糖溶液的浓度各是mol/L。（4）由实验可知，生物体细胞要渗透吸水，其外界溶液浓度必须细胞内液浓度（填大于或小于）。123456789101112ABP-5-分析：（1）A、B的体积相同，而A的浓度大于B的浓度，因此A中溶剂少于B中溶剂的数量，。因为水分子由B室向A室扩散的速度快，数量多，使A室的溶液增多，把P由A推向B，故P向B方向移动。（2）设要移动到X坐标处，列方程，2/X=1/（12—X），解得X=8（3）2X6/8=1.5mol/L=1X6/4（4）小于我们发现，溶液竖直放置形成液柱和溶液横向放置的情况是不相同的。因为横向放置不需要考虑液柱的重力产生的压力。因此渗透压力与浓度直接挂钩。而竖置放置时，有渗透压力，重力两者起作用。因此渗透压力不与溶液浓度成正比关系。三、总结总之，渗透装置有关题目的解答，要求学生们理解半透膜的作用以及渗透作用的原理。同时要求学生能够融会贯通物理和化学等学科知识。只有具备扎实的知识功底，才能进一步拓展自己的思维和能力。