有关渗透作用的实验教学探究.doc

有关渗透作用的探究实验教学东台市新曹农场中学潘粉英摘 要：结合多年的生物教学，对渗透作用这一节的实验教学作了一些总结。本文从渗透装置的构成条件半透膜和半透膜两侧的溶液有浓度差，来寻找半透膜的最佳材料，对半透膜与生物膜进行比较；对半透膜两侧的溶液从溶质的组成、浓度来作进一步探究、分析渗透作用的实质。从生产和生活实践中总结渗透作用的应用，解决实际问题。关键词：渗透作用 实验探究 渗透作用的应用有关细胞的吸水和失水原理方面的知识是高中生物教学的重点和难点，在生产和生活实践中有着极其广泛的应用，经过十多年的高中生物教学，本人就这一节的教学作了一些探究并作出了一些总结。一、渗透系统的组成：1、半透膜渗透作用是水分子通过半透膜从溶液浓度低扩散到溶液浓度高的过程，因此，渗透装置的组成条件首先必须具备半透膜。半透膜是一类可以让小分子物质通过而大分子物质不能通过的一类薄膜的总称。小分子和大分子的界定依膜的种类不同而划分范围不同。例如：对鸡蛋膜来说，葡萄糖分子就是大分子物质，而对透吸管来说葡萄糖是小分子物质；对肠衣来说，碘及葡萄糖是小分子物质，而淀粉是大分子物质。在日常生活中，常见的半透膜有鸡蛋膜、鸡的嗉囊、鱼鳔、蚕豆种皮、玻璃纸、动物膀胱、肠衣、蛋白质胶囊，以及一些可从生物体上剥离的薄膜类物质。笔者对常见膜材料进行了比较，寻找了最佳半透膜材料。材料来源学生接触材料频度感性直观程度是否方便易得是否耐用赛璐酚（医用半透膜）购买直接应用几乎为零很低易是猪肠衣或膀胱膜将猪肠衣或膀胱膜剥离低较低很困难是鹅卵壳膜盐酸溶去蛋壳后得膜低较低易是鸡卵壳膜盐酸溶去蛋壳后得膜非常高很高易是花生种皮温水泡胀花生仁外皮剥离非常高很高易否由上表可知在做渗透装置中鸡卵壳膜是我们选择的最佳半透膜材料。半透膜与选择透过性膜有一定的区别。半透膜是无生命的物理性膜，是指某些物质可以透过而另一些物质不能透过的多孔性薄膜，物质能否通过取决于分子的大小 ，而选择透过性膜是具有生命的生物膜，载体的存在决定了其对不同物质是否吸收的选择性。细胞死亡或膜载体蛋白失活后，其选择透过性丧失。在活细胞内的生物膜只允许水分子自由通过，它所选择的离子，小分子物质可以通过，而其他的离子、小分子和大分子不能透过，是选择透过性膜。它们的相同点：都可以让水分子自由通过，都不允许大分子物质通过。它们的不同点：只要分子比半透膜的孔径小，就能通过半透膜；而对选择透过性膜来说，即使是小分子，只要不是细胞所要选择吸收的，也不能通过。因此在教学中应让学生明确半透膜与生物膜在功能上的区别。2、半透膜两侧的溶液存在浓度差S1S2半透膜半透膜两侧的溶液存在浓度差也是发生渗透作用不可缺少的条件，因为只有浓度不同才会有水分子的扩散速度不同从而导致细胞的吸水或失水。对动物细胞来说，当外界溶液浓度大于细胞质浓度时，细胞失水皱缩；当外界溶液浓度小于细胞质浓度时，动物细胞会吸水胀破，当细胞浓度与外界溶液浓度相等时，水分进出平衡，细胞维持正常形态。对于成熟的植物细胞来说，原生质层是一层选择透过性膜，当细胞液浓度大于外界溶液浓度时，植物细胞会吸水但不会胀破，原因是植物细胞有细胞壁，或发生质壁分离复原；当细胞液浓度小于外界溶液浓度时，植物细胞会的失水，发生质壁分离现象。因此对活的动物细胞和植物细胞来说可以发生渗透作用。在教学中应让学生明确原生质层与原生质的区别，原生质是细胞膜、细胞质、细胞核的总称，而原生质层是细胞膜、液泡膜及两膜之间的细胞质，它不包括细胞核。二、渗透作用实验进一步探究假设如下简易渗透装置：（一）有关渗透装置的实验探究1、半透膜两侧的溶液中溶质分子不能透过半透膜，只有水分子进出。（1）若S1 为水，S2为30%蔗糖溶液，一段时间后将会看到右侧的液面会上升。（2）若S1为10%蔗糖溶液，S2为30%蔗糖溶液，一段时间后同样会看到右侧液而会上升。这两种情况出现的现象原因都是半透膜两侧的溶液浓度不同，且溶质分子不能透过半透膜只有水分子扩散作用。2、半透膜两侧的溶液为浓度相等的不同溶质的溶液。（1）当质量浓度相同时，若S1为10%葡萄糖溶液，S2为10%的蔗糖溶液一段时间后将会有什么现象呢？有的同学会回答：液面不变化，而事实上我们在分析渗透作用水分子的扩散方向，不仅仅是看浓度，根本上是看水分子的多少，虽然两种溶液的质量浓度相同，由于蔗糖相对分子质量大于葡萄糖的相对分子质量，在体积相同的溶液中，蔗糖分子数小于葡萄糖溶液中分子数，因而两溶液中蔗糖溶液中水分子多，总体来说水分子由蔗糖溶液向葡萄糖溶液移动多，应是左侧液面上升。（2）当摩尔浓度相同时，若S1为1mol/L葡萄糖溶液，S2为1mol/L蔗糖溶液，一段时间后现象又是什么呢？我将渗透装置中蔗糖溶液分别用2mol/L葡萄糖溶液和2mol/L蔗糖溶液做了实验，并记录如下表：溶 液液面上升高度时 间2mol/L葡萄糖溶液2mol/L蔗糖4h4cm20cm24h6cm22cm48h8cm28cm从结果可知相同时间内液面上升高度是蔗糖溶液高，分析原因由于蔗糖分子是由一分子果糖和一分子的葡萄糖缩合而成的，在分子内部一个分子的蔗糖比一分子的葡萄糖具有更多的亲水基团，在等体积的溶液中蔗糖分子总体积大于葡萄糖溶液中葡萄糖分子的总体积，因此蔗糖溶液的水分子数比葡萄糖溶液中少，因而水分子应由葡萄糖溶液向蔗糖溶液移动多，观察到现象是右侧液面上升。3、在浓度相同的溶液中，溶质分子和水分子都能通过半透膜，若S1为2mol/L的葡萄糖溶液，S2为3mol/L葡萄糖溶液，观察现象是右侧液面上升后会下降。溶液中的水分子多少与溶液中溶质分子的数量和结构有关，同种溶液、溶质分子数量越多，溶液中水分子越少，如2mol/L的葡萄糖溶液中水分子高于3mol/L葡萄糖溶液中水分子数，不同溶质溶液的水分子数除与溶质分子数量有关，还与溶质分子的结构有关，在上面两个实验中中虽然浓度相同，但水分子数其实不等，因此我们在做这方面的题目时不仅是浓度，事实上还应会看到液面变化（上升或下降）后还会（下降或上升），原因是葡萄糖能透过半透膜，那么还有葡萄糖分子的运动情况，因此渗透作用的原理是水分子通过半透膜的进出过程，也就是所用的溶质分子是认为不能透过半透膜的，如果出现了溶质分子也能透过半透膜的话，那就应认真分析。如S1为水，S2为20%葡萄糖溶液，观察到的现象应是右侧液面先上升后下降至不变。（二）对质壁分离实验进一步探究寻找三种分离剂做洋葱茎表皮细胞的质壁分离及复原实验的最适浓度。1、蔗糖溶液浓度对质壁分离及复原的影响溶液浓度（%）451020304050分离时间（秒）2506330252015复原可能性能能能能能不能2、葡萄糖溶液浓度对质壁分离及复原的影响溶液浓度（%）23510152025分离时间（秒）2156233272116复原可能性能能能能能不能3、NaCl溶液浓度对质壁分离及复原的影响溶液浓度（%）0.50.712456分离时间（秒）30516542282115复原可能性能能能能能不能从上表可知做洋葱茎表皮细胞的质壁分离及复原实验，蔗糖的最适浓度为20-30%，葡萄糖的最适浓度为10-15%，NaCl的最适浓度为2-5%。分析原因是浓度过高会引起植物细胞失水而死亡，而不能发生质壁分离复原，而浓度过低，就不会发生质壁分离，那么是不是就是只能用蔗糖溶液呢？如果试着用葡萄糖、酒精、KNO3、尿素、盐酸等做实验结果又将如何呢？（1）用适宜浓度尿素、酒精、甘油、乙二醇的溶液做实验时，观察的结果是发生质壁分离后会自动复原，原因是植物细胞在失水的同时，尿素、酒精、甘油、乙二醇这些溶质分子可自由扩散到细胞内，导致细胞液浓度升高，外界溶液浓度低，而重新吸水自动复原。（2）用适宜浓度葡萄糖、KNO3等溶液做该实验时，结果也是发生了质壁分离后会自动复原，原因是这些溶质分子通过主动运输进入细胞内，导致细胞液浓度升高，而重新吸水后自动复原。（3）而用解离液15%盐酸和95%酒精溶液混合做该实验时，现象结果却是发生了质壁分离而不会自动复原，原因是植物细胞死亡，原生质层失去了选择透过性而不会自动复原。因此对质壁分离这个实验探究我们不能只限于课本，听之任之，而应多引导学生多探究，真正对该知识有一个深刻的理解，这样在教学才会有高质量，学生才会有更强能力，考出更高的分数。三、渗透作用的应用关于半透膜和渗透作用的原理，在生活中有着广泛的应用。如在工业上海水的淡化处理，污水的处理，农业生产上种子活力的快速测定，医学上给患尿毒症的病人做血液透析，就是利用半透膜将患者的血液与透析液隔开，使毒性物质被清除，缺乏的物质得到补充，以达到治疗的目的，下面谈谈它的应用。1、区别不同浓度的同种溶质的溶液。如：探究区分10%和20%的蔗糖溶液利用教材中渗透装置，将两种溶液分别装入烧杯和漏斗中，若漏斗液面上升，则烧杯中为20%蔗糖溶液，反之则为10%蔗糖溶液。2、判断细胞的死活活细胞与死细胞在性质上有许多差别，特别是通透性的变化最为明显。活细胞的生物膜具有选择透过性，而死细胞是全透性，因此利用渗透作用的条件之一必须有半透膜，可以判断选择透过性是质壁分离的先决条件。因此能发生质壁分离的细胞是活细胞，不能发生质壁分离的的植物细胞是死的。另外，还可用来判断种子的活力。如提供红墨水、品红等染料来测定种子的活力，根据活细胞生物膜具有选择透过性，对染料中色素大分子不能自由进出活细胞，只有细胞死亡后，才可进出，因此可将种子浸泡在这些染料溶液中，一段时间后，取出做成装片观察种子中胚是否被染上颜色，从而可判断种子的活力。3、探究某种材料的细胞液浓度例，如何测定洋葱鳞片叶表皮细胞的细胞液浓度，这个实验就是课本质壁分离实验的应用，可配制一系列浓度梯度的蔗糖溶液，分别制成一系列装片，用显微镜观察，则发生质壁分离时的蔗糖溶液浓度即为细胞液浓度。4、制备纯净细胞膜、提取血红蛋白本实验的材料是人或哺乳动物成熟的红细胞，一般不采用植物细胞，因植物细胞外有细胞壁吸水不破裂，采用了这些动物细胞的红细胞在蒸馏水中发作渗透作用吸水胀破的原理，释放血红蛋白，可得到细胞膜、血红蛋白。5、粗提取DNA本实验的材料是含细胞核的动物细胞或植物细胞，利用动物细胞在蒸馏水中会吸水破裂从而释放DNA；而植物细胞常采用研磨、洗涤剂来破坏细胞壁，瓦解细胞膜。6、食品的加工和保存方面在很久以前人们就利用了渗透作用原理使植物细胞失水，抑制微生物的生长繁殖来腌制食品、保存食品，如用高浓度的食盐，蔗糖处理一些蔬菜、瓜果而获得各种口味的咸菜或保存一些鱼、肉等食品。7、农业上合理施肥、合理灌溉合理灌溉是根据植物的需水规律适时、适量地灌溉，以便使植物茁壮成长，并且用最少的水获得最大的效益，合理施肥是根据植物的需肥规律，适时适量地施肥，以便植物茁壮成长，并且获得少肥高效的效果。如一次性施肥过多，会使植物失水过多，而出现烧苗现象，因此，施肥时要配合灌溉，以促进矿物质在植物体内的运输。8、测定蒸腾作用的强度蒸腾作用是植物吸收的水分通过叶的气孔散失到大气中的过程。因此，蒸腾作用是植物体水分的吸收和运输的主要活动，也是植物体水分的利用和散失的主要方式。蒸腾作用的强弱在一定程度上反映水分代谢的状况，可以判断植物对水分的利用率。测定蒸腾作用的强度的方法可用手托盘天平称量一定时间内植