004 – Osmosi

Tota cèl·lula viva està envoltada per una membrana que deixa passar unes substàncies i en reté d'altres. Aquesta selectivitat és el que permet a una cèl·lula mantenir les seves proteïnes i sucres tot intercanviant aigua, sals i nutrients amb el seu entorn. El mateix principi s'utilitza industrialment en la purificació d'aigua i, de manera més familiar, en la diàlisi renal, on una màquina realitza la filtració que un ronyó malalt ja no pot fer.

Una membrana d'aquest tipus es descriu com semipermeableestà perforada per porus d'una mida determinada, i si una substància dissolta pot travessar-la depèn principalment de la grandària de les seves molècules. Les molècules petites i els ions hi passen fàcilment i s'estenen per difusió, movent-se d'on estan concentrats a on estan diluïts fins que queden distribuïts uniformement. Les molècules grans són simplement massa grans per cabre-hi i es queden on estan. L'aigua mateixa la travessa lliurement en totes dues direccions, i el seu moviment net cap al costat més concentrat és el que s'anomena pròpiament osmosi.

En aquest laboratori omplireu una bossa de diàlisi amb una mescla de tres substàncies de mida molecular molt diferent —midó, clorur de sodi i glucosa— i la suspendreu en un vas de precipitats amb aigua destil·lada. Un cop hagueu deixat que el sistema intercanviï substàncies, fareu proves tant a l'aigua que envolta la bossa com al contingut de la pròpia bossa per a les tres substàncies, utilitzant una prova química específica per a cadascuna. Comparant quines substàncies apareixen fora de la bossa i quines no, establireu el límit de mida de la membrana sense arribar a mesurar mai cap porus.

Objectius educatius

Familiarització amb l'entorn del laboratori

• Identifica la disposició i l'equipament del laboratori d'osmosi Proteus, incloent-hi la bossa de diàlisi, el suport universal i la pinça, la placa calefactora amb el seu bany d'aigua i la placa de pous utilitzada per a les proves de color.

Ús d'equipament de protecció

• Porteu guants i protecció ocular en tot moment. Tingueu en compte especialment que el nitrat de plata taca la pell i la roba, i que el bany maria funciona a més de 70 °C.

Muntatge i manipulació d'una membrana de diàlisi

• Tancar, omplir i muntar una bossa de diàlisi sense vessar-ne el contingut a l'aigua del voltant —una contaminació que invalidaria totes les proves posteriors—.
• Expliqueu per què la bossa s'ha de submergir però no fins al punt que l'obertura quedi per sota de la línia de l'aigua.

Transferència precisa de petits volums

• Utilitza una pipeta i un cilindre graduat de 10 mL per combinar tres porcions de 3 mL, descartant l'excés entre substàncies per evitar qualsevol transferència.

Realitzar tres proves químiques específiques

• Realitza la prova de Lugol per a l'amido, la prova de nitrato d'argent per al clorur i la prova de Fehling per a un sucre reductor, i indica com es veu un resultat positiu i un resultat negatiu en cada cas abans de dur-les a terme.
• Reconeix que la prova de Fehling requereix escalfar per sobre de 70 °C i que el seu resultat es llegeix a partir de l'aparició d'un precipitat, no només a partir d'un canvi de color.

Distingir la difusió de l'osmosi

• Utilitza els resultats per explicar quines substàncies han travessat la membrana i per què, i separa el moviment dels soluts dissolts del moviment de l'aigua.

Raonament a partir d'un mesurament indirecte

• deduïu una propietat de la membrana —la seva mida aproximada de porus— a partir de la identitat de les molècules que hi van passar i les que no.

Protocol

Les solucions de control (positives)

NaCl i midó

1. Amb el comptagotes, poseu 5 a 10 gotes de solució d'amidó al pou marcat amb la lletra A.
2. Buidar el material sobrant del comptagotes al recipient de recuperació.
3. Amb el comptagotes, poseu 5 a 10 gotes de la solució de clorur de sodi al pou etiquetat com a D.
4. Buidar l'excés del comptagotes al recipient de recuperació.
5. Amb el comptagotes, afegeix 5 a 10 gotes de Lugol a la cubeta etiquetada amb la lletra A.
6. Buidar l'excés del comptagotes al recipient de recuperació.
7. Amb el comptagotes, afegeix 5 a 10 gotes de nitrat de plata al pou etiquetat amb la lletra D.
8. Buidar el capital sobrant del comptagotes al recipient de recuperació.
9. Agite bé les copes A i D amb la vareta de vidre.

Les observacions de les reaccions de control es troben a la taula de resultats.

Glucosa

1. Ompliu un vas de precipitats de 500 ml amb 400 ml d'aigua de l'aixeta.
2. Introduïu la vareta magnètica al vas de precipitats.
3. Poseu el vas de precipitats a la placa calefactora i poseu-la a 75°C. Espereu fins que s'assoleixi la temperatura.
4. Encén el motor magnètic (botó esquerre).
5. Amb la pipeta, introdueix 10 mL de la solució de glucosa al tub d'assaig marcat amb la G.
6. Amb la pipeta, afegiu 10 ml de Fehling A al tub d'assaig etiquetat G.
7. Amb la pipeta, afegiu 10 ml de Fehling B al tub d'assaig marcat amb la lletra G.
8. Barreja el contingut del tub d'assaig agitant-lo durant uns segons.
9. Col·loque una pinça universal al suport esquerre, per sobre del got de precipitats de 500 ml preparat al pas 1.
10. Connecteu el tub d'assaig marcat amb la G a la pinça universal per sobre del centre del vas de precipitats.
11. Introduïu el termòmetre al tub d'assaig i espereu que la temperatura arribi per sobre dels 70°C al tub d'assaig.
12. Agafa el tub d'assaig G i torna'l a la seva posició original al taulell de tubs d'assaig.
13. Barregeu el contingut del tub d'assaig remenant-lo durant uns segons amb la vareta de vidre.
14. Un cop la reacció al tub d'assaig s'hagi completat (precipitació), baixeu la temperatura de la placa de calefacció a 15°C.
15. Apaga el motor magnètic.

Les observacions de la reacció de control es troben a la taula de resultats.

Preparació de la bossa d'osmosi i anàlisi de la solució inicial

1. Poseu 300 ml d'aigua de l'aixeta tèbia al vas de precipitats de 600 ml.
2. Remullar la bossa de diàlisi en aigua tèbia per fer-la més flexible.
3. Poseu un tap negre a la part inferior de la bossa de diàlisi per tancar-la.
4. Al matràs aforat de 10 mL, aboca successivament amb la pipeta 3 mL de dissolució de midó, 3 mL de clorur de sodi i 3 mL de dissolució de glucosa. Entre cada substància, buida el seu excés al recipient de recuperació.
5. Col·loca la bossa de diàlisi horitzontalment sobre el taulell, amb l'obertura del costat ample mirant cap amunt. Aboca el contingut del cilindre graduat per aquesta obertura.
6. Poseu el vas de precipit buit de 250 ml al costat del suport universal, a la dreta.
7. Col·loca una pinça universal a la clau universal dreta, per damunt del centre del vas de precipitats.
8. Connecteu la bossa de diàlisi al suport universal dret, utilitzant el clip universal i col·loqueu tot el conjunt verticalment al vas de precipitats de 250 ml. Aneu amb compte de no abocar el contingut de la bossa de diàlisi al vas de precipitats.
9. Aboca aproximadament 200 ml d'aigua destil·lada al vas de precipitats de 250 ml de manera que el contingut de la bossa quedi immersa en l'aigua. L'aigua no ha de tocar l'extrem on es troba l'obertura de la bossa.
10. Amb el comptagotes, agafeu el líquid del vas de precipitats on està immersa la bossa de diàlisi. Poseu de 5 a 10 gotes de la solució al pou B i de 5 a 10 gotes de la solució al pou E.
11. Buidar el material sobrant del comptagotes al recipient de recuperació.
12. Amb el comptagotes, afegeix de 5 a 10 gotes de la solució de Lugol al pouet etiquetat amb la B.
13. Buidar el material sobrant del comptagotes al recipient de recuperació.
14. Utilitza el comptagotes per afegir de 5 a 10 gotes de nitrat de plata al pou marcat amb la lletra E.
15. Buidar l'excés del comptagotes al recipient de recuperació.
16. Agite bé les tasses B i E amb la vareta de vidre.
17. Poseu la placa calenta sobre la qual sempre hi ha el recipient amb aigua a 75°C. Espereu que s'assoleixi la temperatura.
18. Encén l'agitador magnètic (botó esquerre).
19. Utilitzant la pipeta, poseu 10 ml al tub d'assaig marcat amb H de l'aigua del vas de precipitats on s'està remullant la bossa.
20. Amb el comptegotes, afegeix 10 ml de Fehling A al tub d'assaig marcat amb H.
21. Amb la pipeta, afegeix 10 mL de Fehling B al tub d'assaig marcat amb H.
22. Barreja el contingut del tub d'assaig agitant-lo durant uns segons.
23. Fixa el tub d'assaig etiquetat (H) a la pinça universal per sobre del centre del vas de precipitats.
24. Introduïu el termòmetre al tub d'assaig i espereu fins que s'assoleixi una temperatura superior a 70 °C al tub d'assaig.
25. Agafa el tub d'assaig (H) i torna'l al seu lloc inicial al bastidor de tubs d'assaig.
26. Barregeu el contingut del tub d'assaig agitant-lo durant uns segons amb la vareta de vidre.
27. Baixa la temperatura de la placa de calefacció a 15°C.
28. Apaga l'agitador magnètic.
29. Espereu 24 h (utilitzeu el botó del rellotge per avançar el temps)

Prova de la solució final

1. Amb el comptagotes, agafa el líquid del vas de precipitats on es troba la bossa de diàlisi remullant-se i posa'n 5 a 10 gotes de la solució al pou C i 5 a 10 gotes de la solució al pou F.
2. Buidar el material sobrant del comptagotes al recipient de recuperació.
3. Utilitzant el comptagotes, afegiu 5 a 10 gotes de Lugol al pouet marcat amb C.
4. Buidar l'excés del comptagotes al recipient de recuperació.
5. Amb el comptagotes, afegiu 5 a 10 gotes de nitrat de plata al pouet marcat amb la lletra F.
6. Buidar l'excés del comptagotes al recipient de recuperació.
7. Agite bé els recipients C i F amb la vareta de vidre.
8. Poseu la placa calenta sobre la qual sempre hi ha el recipient amb aigua a 75°C. Espereu que s'assoleixi la temperatura.
9. Encén l'agitador magnètic (botó esquerre).
10. Amb el comptagotes, introdueix 10 ml al tub d'assaig marcat amb la I de l'aigua del vas de precipitats on s'està remullant la bossa.
11. Amb la pipeta, afegir 10 ml de Fehling A dins del tub d'assaig marcat amb I.
12. Amb el comptagotes, afegeix 10 ml de Fehling B al tub d'assaig marcat amb la I.
13. Barreja el contingut del tub d'assaig agitant-lo durant uns segons.
14. Fixeu el tub d'assaig etiquetat (I) a la pinça universal per sobre del centre del vas de precipitats.
15. Introduïu el termòmetre al tub d'assaig i espereu fins que la temperatura al tub d'assaig arribi per sobre dels 70°C.
16. Agafa el tub d'assaig (I) i torna'l a posar al seu lloc original al bastidor de tubs d'assaig.
17. Barregeu el contingut del tub d'assaig remenant-lo durant uns segons amb la vareta de vidre.
18. Baixa la temperatura de la placa de calefacció a 15°C.
19. Apaga l'agitador magnètic.

Les observacions es troben a la taula de resultats.

• Un resultat positiu per a la presència de carbohidrats complexos donarà lloc a una coloració blau-negre (complex iode-midó) al pou (prova de Lugol).
• Un resultat positiu per a la presència de NaCl donarà lloc a un precipitat blanc (AgCl) al pou (reacció del nitrat de plata).
• Un resultat positiu per a la presència de carbohidrats simples donarà lloc a un precipitat vermell ataronjat (Cu2O) al tub d'assaig (reacció de Fehling).

Resultats previstos

Les tres substàncies i les seves mides. El resultat de l'experiment depèn gairebé íntegrament de la mida molecular, així que val la pena posar les tres l'una al costat de l'altra abans de mirar els resultats.

Resultats esperats. Tant l'aigua que envolta la bossa com el contingut de la bossa es proven per a les tres substàncies.

La prova de l'almidó. La solució de Lugol conté iode juntament amb iodur de potassi, que es combinen per donar triiodur, I₂ + I⁻ → I₃⁻. És l'ió triiodur, i no el iode o el iodur sols, el que produeix el color: s'encaixa a l'espiral hèlix de la cadena d'amilosa, i el complex amfitrió-convidat resultant absorbeix fortament en la regió visible per a donar el color blau-negre característic. El iodur per si sol no dóna color amb el midó, raó per la qual el reactiu ha de contenir tots dos.

La prova del clorur. Els ions de plata i els ions de clorur es combinen per donar un precipitat que és pràcticament insoluble en aigua:

Argent⁺(aq) + Cl⁻(aq) → AgCl(s) K_esp = 1,8 × 10⁻¹⁰

Perquè K_esp és tan petit, que apareix una terbolesa a concentracions de clorur molt inferiors a les que l'ull podria detectar d'altra manera, la qual cosa fa que aquesta sigui una prova sensible per a una substància que ha travessat la membrana només en una quantitat moderada.

La prova de glucosa. El reactiu de Fehling es subministra com a dues solucions que es combinen immediatament abans d'utilitzar-les. El Fehling A és sulfat de coure(II); el Fehling B és tartrat de sodi i potassi en hidròxid de sodi aproximadament 2,5 M. En barrejar-les s'obté una solució de color blau intens en la qual el tartrat manté el coure(II) en solució com a complex soluble; sense aquest tartrat fortament alcalí, el coure precipitaria simplement com a hidròxid de coure(II) i el reactiu no serviria de res.

La glucosa és un sucre reductor: porta un grup aldehid que s'oxida en escalfar-se, i el coure(II) es redueix a canvi a coure(I), la qual cosa deixa la solució en forma d'un precipitat de color vermell totxo d'òxid de coure(I):

RCHO + 2 Cu²⁺ + 5 OH⁻ → RCOO⁻ + Cu₂O(s) + 3 H₂O

La reacció necessita tant calor com un medi fortament alcalí, raó per la qual el tub d'assaig es porta a més de 70 °C al bany maria. L'aspecte esperat del tub G és, per tant, blau intens abans d'escalfar i un precipitat vermell maó després d'escalfar. Una interpretació errònia freqüent és esperar que el blau s'enfonsi; no ho fa: el blau és el complex de coure(II) que es consumeix, i la seva desaparició sota el precipitat vermell és el resultat positiu.

La difusió, i per què s'atura. La glucosa i els ions es mouen perquè les seves concentracions difereixen als dos costats de la membrana. El moviment net continua al llarg d'aquell gradient fins que les concentracions s'igualen, moment en què els encreuaments en ambdues direccions s'equilibren i el sistema es troba en equilibri. Res no bombes els soluts; el procés no necessita aportació d'energia i no pot moure una substància en contra del seu propi gradient.

Osmosi, que és un efecte separat. L'aigua també travessa la membrana, i es mou preferentment cap al costat on la concentració total de solut dissolt és més alta. Al principi, aquest és l'interior de la bossa, de manera que l'aigua hi entra i la bossa es torna notablement més ferma. La pressió que s'hauria d'aplicar per aturar aquest flux és la pressió osmòtica, donada per a una solució diluïda per la relació de van 't Hoff:

Π = i M R T on i és el nombre de partícules que cada unitat formula allibera, M la molaritat, R = 8.314 J·mol⁻¹·K⁻¹ i T la temperatura absoluta.

El clorur de sodi contribueix el doble a aquesta pressió que la mateixa molaritat de glucosa, perquè es dissol en dos ions mentre que la glucosa es manté com una sola molècula. El midó gairebé no hi contribueix malgrat la seva massa, ja que la pressió osmòtica compta partícules en lloc de grams; una sola molècula de midó que porta milers d'unitats de glucosa exerceix l'efecte osmòtic d'una sola partícula. Aquesta és la il·lustració més clara al laboratori que la pressió osmòtica és una propietat col·ligativa.

Una nota sobre el nom d'aquest laboratori. Estrictament, el moviment dels soluts dissolts a través de la membrana és difusió, o diàlisi quan una membrana separa les dues bandes; l'osmosi es refereix específicament al moviment del dissolvent. Tots dos es produeixen aquí alhora, i a una classe de batxillerat se li pot demanar raonablement que identifiqui quina observació demostra quina.

Resum de tasques per rang de qualificació

De 9è a 10è grau

• Enfocament permeabilitat selectiva com a propietat observable i la lectura correcta d'una prova química.
• Activitats: munteu i munteu la bossa de diàlisi; dueu a terme les tres proves en totes dues mostres i registreu cadascuna com a positiva o negativa en una taula; indiqueu quina substància no ha sortit de la bossa; descriviu en termes plans per què una molècula gran no pot passar per una obertura petita; observeu que la bossa es nota més ferma al final que al principi.

11è curs

• Enfocament difusió a favor d'un gradient de concentració i la química de cada prova.
• Activitats: relacioneu el resultat d'aprovat o suspens de cada substància amb la seva massa molar; escriviu l'equació iònica de la prova del nitrat de plata i expliqueu per què una petita $K$_esp fa que sigui sensible; expliqueu per què la prova de Fehling requereix calor i àlcali, i per què el blau desapareix en lloc d'intensificar-se; prediu quin seria l'observat si el sac s'hagués omplert d'aigua destil·lada i s'hagués suspès a la solució barrejada en lloc d'això.

12è curs / Nivell universitari

• Enfocament l'osmosi com a propietat col·ligativa, i la distinció entre diàlisi i osmosi.
• Activitats: Utilitzeu $\Pi = iMRT$ per comparar les contribucions osmòtiques de molaritats iguals de clorur de sodi, glucosa i midó, i expliqueu per què el midó gairebé no hi contribueix malgrat la seva massa; identifiqueu quines observacions de l'experiment demostren la difusió de solut i quines demostren el moviment de dissolvent; estimeu una fita superior per a la mida del pore de la membrana a partir de la identitat de la molècula més gran que l'ha creuada; discusseu què limita la sensibilitat de cadascun dels tres tests i quin dels tres seria menys fiable per detectar una petita quantitat que hagi travessat.

Equipament de laboratori

Instruments

• Vasos de precipitats (250 mL, 500 mL i 600 mL)
• bosses de diàlisi
• Tap negre (per tancar la bossa)
• Suport universal
• Femella universal
• Placa de pous
• Provetes i grada per a provetes
• Gotes
• Pipeta
• Proveta graduada (10 mL)
• Barra de vidre
• Placa calenta amb bany maria
• Barra magnètica d'agitació
• Termòmetre
• Guants i protecció ocular

Productes

• Solució d'almidó
• Solució de clorur de sodi
• Solució de glucosa
• Solució Lugol 2 %
• Solució de nitrat de plata
• Solució de Fehling A (sulfat de coure(II))
• Solució B de Fehling (tartrat de sodi i potassi en aproximadament 2,5 M de NaOH)
• Aigua destil·lada