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第6讲　水进出细胞的原理
目录
1
2
考点1
渗透作用
考点2
动物细胞、植物细胞的吸水和失水
考点1　渗透作用
一个高考关键点
关键点渗透作用原理及应用分析
1.(2025重庆卷)某兴趣小组利用图1装置,分别使用等体积2.5 mol/L葡萄糖溶液和1.2 mol/L蔗糖溶液,室温下观察渗透现象。图2是两种溶液在垂直管中,一段时间内溶液高度变化。
图1
图2
下列说法正确的是(　　)
A.X表示葡萄糖溶液在垂直管中的高度变化
B.t1—t3由X液面快速上升推测水分子不会从漏斗进入烧杯[命题点 ]
C.t2—t5取Y对应烧杯中液体能检测到还原糖
D.t5后两种溶液在垂直管中液面高度将不变
C
解析:葡萄糖分子能通过玻璃纸,蔗糖分子不能通过。开始时葡萄糖溶液和蔗糖溶液的浓度分别为2.5 mol/L和1.2 mol/L,由于葡萄糖能透过玻璃纸,最终会使两侧葡萄糖浓度相等,而蔗糖不能透过,开始时葡萄糖溶液一侧浓度高,水分子进入多,但随着葡萄糖透过玻璃纸,其液面会下降。蔗糖溶液一侧由于蔗糖不能透过,水分子持续进入,液面持续上升。因此X表示蔗糖溶液在垂直管中的高度变化,A项错误。t1—t3时X液面快速上升,说明单位时间内从烧杯进入漏斗的水分子数量多于从漏斗进入烧杯的水分子数量,并不是水分子不会从漏斗进入烧杯,B项错误。葡萄糖能通过玻璃纸进入烧杯,葡萄糖是还原糖,所以在t2—t5取Y对应烧杯中液体能检测到还原糖,C项正确。葡萄糖能通过玻璃纸,玻璃纸两侧葡萄糖浓度相等时,垂直管中液面高度不再变化,蔗糖不能通过玻璃纸,垂直管中液面高度产生的压力和吸水能力相等时,垂直管中液面高度不再变化,无法确定t5时两种溶液的浓度状态,因此无法判断t5后垂直管中液面高度是否发生变化,D项错误。
2.如图为渗透作用的初始状态,其中半透膜只允许水分子通过(图中浓度为质量分数)。
(1)往稳定后的U形管的左侧加入少量蔗糖酶。
未加酶时:葡萄糖相对分子质量较小,10%的葡萄糖溶液的物质的量浓度更大,水分子流向总趋势为__________________________________________,右侧液面__________。
加蔗糖酶后:一分子蔗糖被水解产生两分子单糖(葡萄糖和果糖),导致左侧浓度________,水分子流向总趋势为________________________________,则左侧液面__________,最终__________。
(2)若把稳定后的U形管右侧液面高出的部分吸走,则右侧液面______________________________。
10%的蔗糖溶液→10%的葡萄糖溶液
升高
升高
10%的葡萄糖溶液→10%的蔗糖溶液
升高
高于右侧
继续升高并达到新的平衡
回归教材·考教衔接
1.渗透作用
(1)概念:水分子(或其他溶剂分子)通过半透膜的扩散。
(2)发生的条件
①具有半透膜。
②半透膜两侧的溶液存在浓度差。
(3)渗透的方向
水分子多→水分子少
含水量高→含水量低
低浓度溶液→高浓度溶液
半透膜≠选择透过性膜
渗透压低→渗透压高
(4)渗透装置
①液面上升的原因:单位时间由烧杯中通过半透膜进入漏斗中的水分子数>单位时间由漏斗中通过半透膜进入烧杯中的水分子数。
②液面不会一直上升的原因:因为液面上升到一定程度就会产生一个压力,当该压力和漏斗中的吸水能力相等时液面不再上升。
提醒:渗透平衡只意味着半透膜两侧水分子移动达到平衡状态,既不可看作没有水分子移动,也不可看作两侧溶液浓度相等。[ ]此装置达到渗透平衡时,漏斗内蔗糖溶液浓度仍大于清水浓度。
2.相关概念辨析
(1)渗透作用仅指溶剂分子的扩散,必须通过半透膜,扩散适用于各种物质的扩散,不一定需要通过半透膜,所以说渗透作用是扩散的一种特殊形式。
(2)水分子是双向移动的,但从宏观上看总趋势是由低浓度溶液流向高浓度溶液。
(3)半透膜两侧的浓度差,用物质的量浓度来比较大小更合适,严格意义上讲,用半透膜两侧溶液的渗透压差值来描述更精准。
考点2　动物细胞、植物细胞的吸水和失水
两个高考关键点
关键点1 细胞失水和吸水的原理及应用
1.(2025安徽蚌埠模拟)甲、乙、丙分别是细胞在不同浓度的某溶液中水分子的跨膜运输示意图(箭头粗细代表水分子扩散的多少)。
下列分析错误的是(　　)
A.若甲中细胞为人成熟的红细胞,一段时间后可能会涨破
B.若乙中细胞为洋葱表皮细胞,此时细胞内外溶液的浓度可能相等[命题点 ]
C.若丙中细胞为某植物的根尖成熟区细胞,该植物可能出现“烧苗”现象
D.若甲、乙、丙中为同一细胞,则初始时溶液浓度的大小关系是甲>乙>丙
D
解析:甲中细胞处于低浓度的溶液中,细胞吸水量大于失水量;乙中细胞吸水和失水处于动态平衡;丙中细胞处于高浓度溶液中,细胞失水量大于吸水量。人成熟的红细胞无细胞壁,故在不断吸水的情况下,可能会涨破,A项正确。乙中水分进出细胞处于动态平衡,故细胞内外溶液的浓度可能相等,B项正确。丙中细胞正在失水,可能造成植物“烧苗”现象,C项正确。若甲、乙、丙中为同一细胞,则初始时溶液浓度的大小关系是丙>乙>甲,D项错误。
2.(2025四川模拟)某兴趣小组用不同浓度(0~0.6 mol/L)的蔗糖溶液处理了一批黄瓜条,按照蔗糖溶液浓度由低到高的顺序分成7组,一定时间后测定黄瓜条的质量变化,处理数据后得到如图所示的结果。
注:黄瓜条的质量变化百分比(%)=黄瓜条质量变化/黄瓜条初始质量。
下列叙述错误的是(　　)
A.实验后,第1~7组黄瓜细胞的细胞液浓度依次升高
B.本实验所用的黄瓜细胞的细胞液浓度在0.4~0.5 mol/L之间
C.该实验中涉及的半透膜指的是细胞膜
D.实验后,第1~7组黄瓜细胞的吸水能力依次升高
C
解析:黄瓜条的质量变化百分比大于0,细胞吸水,黄瓜条的质量变化百分比小于0,细胞失水,由图可知,第1、2、3、4和5组黄瓜吸水,细胞液浓度减小,且吸水量依次减少,故实验后,第1~5组的细胞液浓度依次升高,第6组和第7组黄瓜细胞失水,细胞液浓度增大,且失水量依次增加,故实验后,第6组和第7组的细胞液浓度依次升高,且都高于前5组,因此,实验后,第1~7组黄瓜细胞的细胞液浓度依次升高,A项正确。蔗糖溶液浓度为0.4 mol/L时,黄瓜细胞吸水,蔗糖溶液浓度为0.5 mol/L,黄瓜细胞失水,其细胞液浓度在0.4~0.5 mol/L之间,B项正确。该实验中涉及的半透膜指的是原生质层(包括细胞膜、液泡膜以及两层膜之间的细胞质)而不是细胞膜,C项错误。实验后,若第6组和第7组细胞(都失水)没有死亡,则因第1~7组黄瓜细胞的细胞液浓度依次升高,所以吸水能力依次升高,D项正确。
关键点2 实验操作规范与现象解析能力
3.(2025北京卷)“探究植物细胞的吸水和失水”实验中,在清水和0.3 g/mL蔗糖溶液中处于稳定状态的细胞如图。以下叙述错误的是(　　)[命题点 ]
A.图1,水分子通过渗透作用进出细胞
B.图1,细胞壁限制过多的水进入细胞
C.图2,细胞失去的水分子是自由水
D.与图1相比,图2中细胞液浓度小
图1　清水
图2　蔗糖溶液
D
解析:成熟的植物细胞原生质层相当于一层半透膜,细胞液与外界溶液一般具有浓度差,符合渗透作用发生的条件,所以植物细胞是通过渗透作用吸水和失水的,A项正确。图1为在清水中处于稳定状态的紫色洋葱鳞片叶外表皮细胞,此状态下细胞液的浓度(或渗透压)远远高于清水,但细胞壁的保护作用限制了过多的水分子进入细胞,避免了细胞体积的进一步膨胀,B项正确。结合水是不能自由流动的水,是细胞结构的组成成分。自由水具有流动性,能进出细胞,C项正确。图2为在0.3 g/mL蔗糖溶液中处于稳定状态的紫色洋葱鳞片叶外表皮细胞,此时处于质壁分离状态,其细胞液的渗透压与外界蔗糖溶液的渗透压相等,比图1中细胞的细胞液浓度(渗透压)大,D项错误。
4.(2024江苏卷)有同学以紫色洋葱为实验材料,进行“观察植物细胞的质壁分离和复原”实验。下列相关叙述合理的是(　　)
A.制作临时装片时,先将撕下的表皮放在载玻片上,再滴一滴清水,盖上盖玻片
B.用低倍镜观察刚制成的临时装片,可见细胞多呈长条形,细胞核位于细胞中央
C.用吸水纸引流使0.3 g/mL蔗糖溶液替换清水,可先后观察到质壁分离和复原现象
D.通过观察紫色中央液泡体积大小变化,可推测表皮细胞是处于吸水还是失水状态
D
解析:制作临时装片时,通常是先滴一滴清水在载玻片上,然后将撕下的表皮放在水滴中展平,再盖上盖玻片,A项错误。用低倍镜观察刚制成的临时装片时,细胞核通常位于细胞的一侧,而不是细胞中央,B项错误。用吸水纸引流使蔗糖溶液替换清水,可以观察到质壁分离现象,但要观察复原现象需要重新用清水替换蔗糖溶液,C项错误。液泡体积变大,说明细胞吸水,液泡体积变小,说明细胞失水,所以通过观察紫色中央液泡体积大小变化,可推测表皮细胞是处于吸水还是失水状态,D项正确。
回归教材·考教衔接
1.动物细胞的吸水和失水
相当于原生质体
2.成熟植物细胞的吸水和失水
(1)成熟植物细胞的结构
(2)成熟植物细胞的吸水和失水
①当外界溶液浓度>细胞液浓度时,细胞失水发生质壁分离。
②当外界溶液浓度<细胞液浓度时,细胞吸水。已经失水的细胞发生质壁分离复原。
③当外界溶液浓度=细胞液浓度时,水分子进出平衡,细胞保持原状。
细胞壁与原生质层分离
3.探究植物细胞的吸水和失水
(1)实验原理
①植物细胞的原生质层相当于半透膜,原生质层的伸缩性大于细胞壁的伸缩性;
②细胞液和外界溶液存在浓度差,细胞能渗透吸水和失水。
(2)实验材料:紫色的洋葱鳞片叶外表皮细胞,质量浓度为0.3 g/mL的蔗糖溶液[ ],清水。
高浓度
(3)实验过程
(4)实验结论
原生质层相当于一层半透膜。当外界溶液浓度大于细胞液浓度时,细胞失水,发生质壁分离;当外界溶液浓度小于细胞液浓度时,细胞吸水,已发生质壁分离的细胞发生质壁分离复原现象。
提醒:实验的注意事项
(1)实验材料要选取成熟的、液泡带有一定颜色的植物组织进行实验,不可选择根尖分生区等不成熟部位的细胞。还可以选择具有较多叶绿体的材料,细胞质颜色深,细胞液接近无色,如黑藻。若所选材料为无色,则需在蔗糖溶液中加入适量红墨水,使细胞壁与原生质层之间充满红色溶液, 以观察细胞的质壁分离。
(2)选用的蔗糖溶液浓度要适宜。过低,不足以引起质壁分离或质壁分离所需时间过长;过高,可能造成植物细胞失水过多、过快而死亡,不能发生质壁分离复原现象。
(3)本实验是教材中唯一的一个只需在低倍镜下观察的实验。
(4)本实验存在的两组实验均为自身对照,滴加蔗糖前后和滴加清水前后均可形成自身对照。
外界溶液
命题角度一　细胞失水和吸水原理的应用
1.(2024山东卷)仙人掌的茎由内部薄壁细胞和进行光合作用的外层细胞等组成,内部薄壁细胞的细胞壁伸缩性更大。水分充足时,内部薄壁细胞和外层细胞的渗透压保持相等;干旱环境下,内部薄壁细胞中单糖合成多糖的速率比外层细胞快。下列说法错误的是(　　)
A.细胞失水过程中,细胞液浓度增大
B.干旱环境下,外层细胞的细胞液浓度比内部薄壁细胞的低
C.失水比例相同的情况下,外层细胞更易发生质壁分离
D.干旱环境下内部薄壁细胞合成多糖的速率更快,有利于外层细胞的光合作用
B
解析:细胞失水过程中,细胞液浓度增大,渗透压升高,A项正确。干旱环境下进行光合作用的外层细胞主要合成的是单糖,内部薄壁细胞中单糖合成多糖的速率比外层细胞快,一方面可以使外层细胞的光合产物迅速转移到内部薄壁细胞,减少外层细胞单糖的积累,减弱产物对光合作用的抑制;另一方面内部薄壁细胞中单糖合成多糖的过程产生水,使外层细胞的细胞液浓度高于内部薄壁细胞,外层细胞可以从内部薄壁细胞中获得水分,有利于外层细胞的光合作用,B项错误,D项正确。失水比例相同的情况下,由于内部薄壁细胞的细胞壁伸缩性更大,不易发生质壁分离,外层细胞更易发生质壁分离,C项正确。
命题角度二　质壁分离实验结果分析及迁移应用
2.(2025浙江卷)某同学利用幼嫩的黑藻叶片完成“观察叶绿体和细胞质流动”实验后,继续进行“质壁分离”实验,示意图如下。下列叙述正确的是
(　　)
A.实验过程中叶肉细胞处于失活状态
B.①与②的分离,与①的选择透过性无关
C.与图甲相比,图乙细胞吸水能力更强
D.与图甲相比,图乙细胞体积明显变小
C
解析:实验过程中该叶肉细胞处于失水状态,并非失活状态,A项错误。①细胞膜与②细胞壁的分离,与①的选择透过性有关,原因是细胞壁具有全透性,蔗糖可通过细胞壁,但不能通过具有选择透过性的细胞膜,B项错误。与图甲相比,图乙细胞处于失水状态,细胞液渗透压升高,吸水能力更强,C项正确。与图甲相比,图乙细胞体积几乎不变,D项错误。
3.(不定项)(2025黑龙江鸡西模拟改编)某实验小组利用乙二醇和蔗糖溶液进行质壁分离实验的探究,如图是实验过程中原生质体的相对体积随时间的变化情况。下列叙述错误的是(　　)
A.乙二醇溶液组C点的细胞液浓度高于A点的细胞液浓度
B.0~60 s两组实验结果存在差异是因为两组实验所用溶液的浓度不同
C.要测量原生质体相对体积的大小一般选择紫色洋葱内表皮细胞
D.蔗糖溶液组BD段的原生质体的相对体积不变是因为没有水分子的流动
BCD
解析:乙二醇溶液组在未更换外界溶液的条件下直接发生质壁分离复原的原因是乙二醇进入细胞内,导致细胞液浓度高于外界溶液浓度,因此与A点相比,C点的细胞液浓度高,A项正确。由图可知,两组实验所用溶液的浓度相同都是2 mol/L,造成两组0~60 s实验结果不同的原因是溶质种类不同,B项错误。紫色洋葱内表皮细胞没有颜色,不利于观测,因此要测量原生质体相对体积的大小可以选择紫色洋葱外表皮细胞,C项错误。BD段原生质体的相对体积不变的原因是水分子内流与外流速度相同,即水分子进出细胞达到动态平衡,D项错误。
能力思维链
思维链:渗透失衡→生理响应→病理干预链
渗透失衡(外界浓度>细胞液)→水分子外流(植物细胞质壁分离)→调节响应(根毛细胞吸收K+)→病理模型(烧苗)→干预策略(转基因抗盐作物)
破题路径
1.判断成熟植物细胞的死活
2.测定细胞液浓度范围
3.比较不同成熟植物细胞的细胞液浓度
破题路径
某些溶质或溶剂能被成熟植物细胞主动或被动的吸收,则能发生质壁分离复原:
(1)紫色洋葱鳞片叶外表皮细胞在一定浓度的KNO3溶液中发生质壁分离后能自动复原,原因是K+、N都可被细胞主动运输到细胞内,使细胞液浓度升高,细胞渗透吸水发生自动复原。
(2)在某些有机溶剂如甘油、尿素、乙二醇中,也可发生质壁分离后自动复原现象。
一、渗透作用的定量分析与跨膜运输模型
1.(跨模块融通)(2024湖南卷)缢蛏是我国传统养殖的广盐性贝类之一,自身存在抵抗外界盐度胁迫的渗透调节机制。缢蛏体内游离氨基酸含量随盐度的不同而变化,如图为缢蛏在不同盐度下鲜重随培养时间的变化曲线。
下列叙述错误的是(　　)
A.缢蛏在低盐度条件下先吸水,后失水直至趋于动态平衡
B.低盐度培养8~48 h间,缢蛏通过自我调节以增加组织中的溶质含量
C.相同盐度下,游离氨基酸含量高的组织渗透压也高
D.缢蛏组织中游离氨基酸含量的变化与细胞呼吸有关
B
解析:分析题图可知,缢蛏在低盐度条件下鲜重先增大后减小,说明其先吸水后失水,最后趋于动态平衡,A项正确。低盐度培养时,缢蛏组织渗透压大于外界环境,导致缢蛏吸水,为恢复正常状态,缢蛏应通过自我调节使组织中的溶质含量减少,从而降低组织渗透压,引起组织失水,B项错误。组织渗透压的高低与其中的溶质含量有关,溶质越多,渗透压相对越高,因此,相同盐度下,游离氨基酸含量高的组织渗透压也高,C项正确。细胞呼吸过程中产生的中间产物可转化为氨基酸、甘油等非糖物质,由此推测缢蛏组织中游离氨基酸含量的变化与细胞呼吸有关,D项正确。
2.(不定项)(原创+生活实践情境)反渗透技术是目前家用净水器中最主流的过滤技术之一,是一种以压力差为推动力,从溶液中分离出溶剂的膜分离操作。对膜一侧的料液施加压力,当压力超过它的渗透压时,溶剂会逆着自然渗透的方向作反向渗透。反渗透技术在海水和苦咸水淡化、食品加工浓缩、气体分离等领域也有广泛的应用。下列叙述错误的是(　　)
A.自然状态下的渗透装置,达到渗透平衡时,若半透膜两侧溶液存在高度差,则一定存在浓度差
B.若用反渗透技术处理海水,在膜的低压侧得到淡水,在高压侧得到卤水
C.反渗透技术可用于乳品、果汁的浓缩,高压泵应该安装在稀溶液侧
D.海水淡化时,反渗透膜的成分与结构会影响反渗透膜的脱盐率和水通量
C
解析:自然状态下渗透平衡时,若半透膜两侧溶液存在高度差,此时,压力与渗透吸水能力相等,因此一定存在浓度差,A项正确。海水淡化过程中采用反渗透技术,只允许水通过,半透膜阻止其他离子、无机盐等通过,故在膜的低压侧得到淡水,在高压侧得到卤水,B项正确。乳品、果汁的浓缩过程中,高压泵应该安装在乳品或果汁侧,才能达到浓缩的目的,C项错误。反渗透膜脱盐率与水通量之间存在相互制约关系,所以低压、低能耗、抗污染、抗氧化的反渗透膜正在积极地研发之中,以便从根本上解决现在存在的问题,D项正确。
二、质壁分离实验的深度拓展与生产应用
3.(2026湖北黄冈模拟)为探究植物细胞质壁分离与复原情况,某研究小组用图一所示细胞进行了相关实验,实验结果如图二所示。
图一
图二
下列叙述正确的是(　　)
A.图一中的1、4及它们之间的所有结构构成了该细胞的原生质层
B.可配制一系列浓度小于0.05 g/mL的蔗糖溶液进一步探究细胞液浓度
C.细胞质壁分离所需的时间越长,在清水中复原所需的时间也越长
D.图示细胞质壁分离后复原的过程中,细胞吸水能力越来越强
B
解析:图一中1是液泡膜、2是细胞质,4是细胞膜,细胞膜和液泡膜以及两层膜之间的细胞质称为原生质层,A项错误。从图二可知,用0.05 g/mL蔗糖溶液处理细胞,细胞会发生质壁分离,说明细胞液浓度小于0.05 g/mL,所以可配制一系列浓度小于0.05 g/mL的蔗糖溶液进一步探究细胞液浓度,B项正确。由图二最后两组可知,0.15 g/mL蔗糖溶液中比0.20 g/mL蔗糖溶液中质壁分离所需的时间长,但在清水中复原所需的时间相同,C项错误。细胞发生质壁分离,说明细胞失水,细胞液浓度变大,细胞吸水能力增强;细胞吸水能力越强,质壁分离复原用的时间就越短。从图二可知,前三组随着蔗糖浓度的增大,质壁分离后复原时间逐渐缩短,细胞吸水能力逐渐增强,后两组蔗糖浓度增大,质壁分离后复原时间却相同,说明吸水能力相同,D项错误。

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