高中生物知识笔记：水分渗透作用
高中生物知识笔记：水分渗透作用
渗透作用是生物体水分调节的重要机制，广泛存在于动植物细胞中。本文将从渗透作用的基本概念出发，通过动物红细胞和植物细胞的具体实例，以及经典的漏斗管实验，深入浅出地解析这一重要生物学现象。
一、渗透作用的概念
渗透作用是指水分子（或其他溶剂分子）通过半透膜的扩散现象。这种扩散过程是从低浓度溶液向高浓度溶液进行的，这是由于单位体积内低浓度溶液中的水分子数量多于高浓度溶液中的水分子数量，使得水分子有从低浓度向高浓度扩散的趋势。（水往高处流）
二、渗透作用的条件
渗透作用的发生需要两个基本条件：
具有半透膜：半透膜是一种只允许某些分子或离子通过的膜。其孔隙直径决定了哪些物质可以通过，哪些物质不能通过。
半透膜两侧具有浓度差：即膜两侧的溶液存在浓度差异，这是渗透作用发生的驱动力。
三、动物红细胞的渗透例子
动物细胞（如红细胞）的细胞膜相当于一层半透膜。当红细胞置于不同浓度的溶液中时，会发生以下现象：
外界溶液浓度 < 细胞质浓度：细胞吸水膨胀，若膨胀过度，细胞膜会被胀破，红细胞将死亡。
外界溶液浓度 > 细胞质浓度：细胞失水皱缩，若皱缩过度，细胞结构破坏，红细胞也将死亡。
外界溶液浓度 = 细胞质浓度：水分进出细胞处于动态平衡，红细胞保持正常形态。
四、植物细胞的渗透例子（质壁分离）
成熟的植物细胞具有细胞壁和原生质层（包括细胞膜、液泡膜以及两层膜之间的细胞质）。当植物细胞置于不同浓度的溶液中时，由于原生质层具有选择透过性，细胞液与外界溶液之间的浓度差异会导致以下现象：
外界溶液浓度 > 细胞液浓度：细胞失水，原生质层与细胞壁分离，形成质壁分离现象。
外界溶液浓度 < 细胞液浓度：细胞吸水，质壁分离现象复原。
外界溶液浓度 = 细胞液浓度：水分进出细胞处于动态平衡，无质壁分离现象。
质壁分离产生的内因是原生质层的伸缩性大于细胞壁的伸缩性，外因则是外界溶液浓度高于细胞液浓度。
注意：在观察质壁分离时，以下溶液可以导致细胞发生质壁分离后自动复原：
硝酸钾（KNO₃）溶液：硝酸钾溶液中的钾离子和硝酸根离子可以被植物细胞通过主动运输的方式吸收。随着这些离子的吸收，细胞内的溶质浓度逐渐升高，导致细胞液浓度增加。当细胞液浓度超过外界溶液浓度时，细胞会重新吸水，从而使质壁分离现象自动复原。
尿素溶液：尿素是一种小分子物质，可以通过自由扩散的方式进入植物细胞。随着尿素的吸收，细胞内的溶质浓度增加，进而提高细胞液的浓度。当细胞液浓度高于外界溶液时，细胞会吸水并导致质壁分离复原。
甘油溶液：甘油同样可以通过自由扩散的方式进入植物细胞。甘油在细胞内的积累会提高细胞液的浓度，进而促使细胞吸水并导致质壁分离复原。
葡萄糖溶液：葡萄糖也可以通过某种方式（可能是主动运输或协助扩散，具体取决于植物细胞的类型和条件）进入植物细胞。葡萄糖的吸收同样会增加细胞内的溶质浓度，提高细胞液浓度，并促使细胞吸水使质壁分离复原。
乙二醇溶液：乙二醇与甘油类似，也是一种可以通过自由扩散进入植物细胞的小分子物质。乙二醇在细胞内的积累同样会提高细胞液的浓度，导致细胞吸水并复原质壁分离。
五、漏斗管或U型管实验
实验装置：漏斗管或U型管，一侧加入溶液A，另一侧加入溶液B，中间用半透膜隔开。
实验现象与解释：
- 同物质不同浓度：
当溶液A的浓度低于溶液B时，水分会从A侧流向B侧，因为B侧的渗透压高于A侧。
液面停止变化后，A侧的液面会低于B侧，此时两侧达到渗透平衡，但A侧的溶质浓度仍低于B侧。（需要考虑外力因素，如大气压强）
不同物质同质量分数或摩尔浓度：（以葡萄糖和蔗糖为例）
理解渗透压：
渗透压是指溶液中溶质微粒对水的吸引力。
溶质微粒越多，对水的吸引力越大，渗透压越高。
分析相同质量分数的情况：（如表示为3%的葡萄糖）
当葡萄糖和蔗糖溶液的质量分数相同时，由于蔗糖的分子量大于葡萄糖，相同质量下蔗糖的摩尔数少于葡萄糖。
因此，在相同质量分数的溶液中，葡萄糖溶液中的溶质微粒（分子或离子）数量多于蔗糖溶液，导致葡萄糖溶液的渗透压高于蔗糖溶液。
在U型管实验中，渗透压高的一侧（葡萄糖溶液）会吸引更多的水分子，导致该侧液面上升，而蔗糖溶液侧液面下降。
分析相同摩尔浓度的情况：（如表示为0.3g/mol的葡萄糖）
当葡萄糖和蔗糖溶液的摩尔浓度相同时，意味着两种溶液中溶质微粒的数量相同。
在这种情况下，两种溶液的渗透压相等，因为渗透压主要取决于溶质微粒的数量。
在U型管实验中，由于渗透压相等，两侧溶液不会发生明显的液面高度变化，保持平衡状态。
- 渗透作用是细胞物质跨膜运输过程中水分扩散的重要方式。通过理解渗透作用的概念、条件以及动物红细胞和植物细胞的渗透例子，我们可以更深入地了解细胞如何通过渗透作用来调节自身的水分平衡。漏斗管或U型管实验则是展示渗透作用原理的经典实验之一，有助于我们直观地理解渗透现象。