Tento experiment si klade za cíl demonstrovat dialýzu pomocí simulace šíření různých látek polopropustnou membránou, kterou představuje dialyzační sáček. Experiment ilustruje klíčové koncepty buněčné biologie a chemie, jako je propustnost membrán, difuze a specifické chemické reakce pro testování přítomnosti určitých molekul v roztoku.
Vzdělávací cíle
Příprava roztoku a zahřívání: Začátek experimentu spočívá v přípravě vodného roztoku a zahřátí zkumavky s glukózou k simulaci přípravy “virtuální buňky” a obklopujícího roztoku. Příprava činidel pro testování: příprava kádinek s konkrétními činidly pro glukózu, škrob a sůl připravuje půdu pro testování přítomnosti těchto látek po dialýze.
Příprava dialyzačního vaku: Zkušenost simuluje buněčnou membránu pomocí dialyzačního vaku, do kterého jsou vloženy roztoky škrobu, soli a glukózy. Vak je poté ponořen do destilované vody, která simuluje extracelulární prostředí. Difuze a dialýza: Implementace umožňuje pozorovat proces difuze molekul přes polopropustnou membránu dialyzačního vaku, čímž napodobuje funkci živé buňky v jejím prostředí.
Chemické testy: Po období dialýzy se provádějí chemické testy k identifikaci látek, které pronikly do vaku. Tyto testy zahrnují použití Lugolova roztoku k detekci škrobu, Fehlingovy zkoušky A a B pro glukózu a dusičnanu stříbrného pro sůl.
Pozorování změn: Zkušenost umožňuje pozorovat změny v chemickém složení okolní vody a uvnitř dialyzačního váčku, stejně jako jakékoli změny objemu ve váčku, což ilustruje principy osmózy a difúze.
Cíle zkušenosti:
- Pochopení dialýzy: Demonstrujte, jak látky difundují přes semipermeabilní membránu podle svých koncentračních spádů.
- Ilustrujte principy difúze a osmózy: sledujte přímo, jak se molekuly pohybují z oblasti s vysokou koncentrací do oblasti s nízkou koncentrací a jak to ovlivňuje objem v dialyzačním sáčku.
- Použití chemických testů: využít konkrétní chemické reakce k ověření přítomnosti glukózy, škrobu a soli, přičemž zdůraznit význam chemických indikátorů při detekci látek.
Tato zkušenost nabízí praktické pochopení základních biologických a chemických procesů, přičemž využívá laboratorní techniky k prozkoumání klíčových konceptů v biologii a chemii.
Protokol
Kontrolní řešení (pozitivní)
NaCl a škrob
- Pomocí kapátka naneste 5 až 10 kapek roztoku škrobu do jamky označené A.
- Zbytek z kapátka vylijte do sběrné nádoby.
- Pomocí kapátka vpusťte 5 až 10 kapek roztoku chloridu sodného do jamky označené D.
- Vylijte přebytečné množství z kapátka do sběrné nádoby.
- Pomocí kapátka přidejte 5 až 10 kapek Lugolova roztoku do jamky označené A.
- Vylijte přebytečné množství z kapátka do sběrné nádoby.
- Pomocí kapátka přidejte 5 až 10 kapek dusičnanu stříbrného do jamky označené D.
- Vylijte přebytek z kapátka do sběrné nádoby.
- Dobře protřepejte kelímky A a D skleněnou tyčinkou.
Pozorování kontrolních reakcí jsou uvedena v tabulce výsledků.
Glukóza
- Nalijte 400 ml kohoutkové vody do 500 ml kádinky.
- Vložte magnetickou tyčinku do kádinky.
- Položte kádinku na plotýnku a nastavte na 75 °C. Počkejte, až se teploty dosáhne.
- Zapnout magnetický motor (levé tlačítko).
- Pomocí pipety vlijte 10 ml roztoku glukózy do zkumavky označené G.
- Pomocí pipety přidejte 10 ml Fehlingova roztoku A do zkumavky označené G.
- Pomocí pipety přidejte 10 ml Fehlingova roztoku B do zkumavky označené G.
- Obsah zkumavky promíchejte krátkým zatřepáním.
- Umístěte univerzální svorku na levý držák, nad 500ml kádinku připravenou v kroku 1.
- Připojte zkumavku označenou G k univerzální svorce nad středem kádinky.
- Vložte teploměr do zkumavky a počkejte, až teplota ve zkumavce dosáhne nad 70 °C.
- Vrať zkumavku G na její původní místo na stojanu na zkumavky.
- Obsah zkumavky promíchejte skleněnou tyčinkou po dobu několika sekund.
- Jakmile reakce ve zkumavce proběhne (srážení), snižte teplotu topné desky na 15 °C.
- Vypni magnetický motor.
Pozorování kontrolní reakce jsou uvedena v tabulce výsledků.
Příprava osmózního sáčku a test počátečního roztoku
- Do 600ml kádinky nalijte 300 ml teplé vody z kohoutku.
- Namočte dílyzální sáček do teplé vody, aby se stal prúžnější.
- Přiložte černou zátku na spodní část dialyzačního sáčku, abyste jej uzavřeli.
- Do 10ml odměrného válce postupně pomocí pipety nadávkujte 3ml roztoku škrobu, 3ml roztoku chloridu sodného a 3ml roztoku glukózy. Mezi jednotlivými látkami vylijte přebytek do sběrné nádoby.
- Položte dialyzační sáček vodorovně na pult, širokým otvorem nahoru. Vlijte obsah odměrného válce do tohoto otvoru.
- Umístěte prázdnou 250ml kádinku vedle univerzální podpěry vpravo.
- Umístěte univerzální svorku na pravý univerzální stojan, nad střed baňky.
- Připevněte dialyzační sáček k pravé universální podpoře pomocí universální svorky a celé zařízení umístěte vertikálně do 250 mL kádinky. Dávejte pozor, abyste nevylili obsah dialyzačního sáčku do kádinky.
- Nalijte přibližně 200 ml destilované vody do 250 ml kádinky tak, aby obsah sáčku byl ponořen ve vodě. Voda se nesmí dotýkat konce, kde se nachází otvor sáčku.
- Pomocí kapátka naberte tekutinu z kádinky, ve které je ponořen dialyzační sáček. Do jamky B dejte 5 až 10 kapek roztoku a do jamky E dejte 5 až 10 kapek roztoku.
- Zbytek z kapátka vylijte do sběrné nádoby.
- Pomocí kapátka přidejte 5 až 10 kapek Lugolova roztoku do jamky označené B.
- Zbytek z kapátka vylijte do sběrné nádoby.
- Pomocí kapátka přidejte 5 až 10 kapek dusičnanu stříbrného do jamky označené E.
- Vylijte přebytečné množství z kapátka do sběrné nádoby.
- Dobře protřepejte kelímky B a E pomocí skleněné tyčinky.
- Nastavte plotýnku, na které je vždy kádinka s vodou, na 75°C. Počkejte, až bude této teploty dosaženo.
- Zapněte magnetické míchadlo (levé tlačítko).
- Pomocí pipety naberte 10 ml vody z kádinky, ve které se namáčí sáček, a nalijte ji do zkumavky označené H.
- Pomocí pipety přidejte 10 ml Fehlingovy zkoušky A do zkumavky označené H.
- Pomocí pipety přidejte 10 ml Fehlingovy zkoušky B do zkumavky označené H.
- Obsah zkumavky promíchejte krátkým zatřepáním.
- Připevněte zkumavku označenou (H) k univerzální svorce nad středem kádinky.
- Vložte teploměr do zkumavky a počkejte, dokud nedosáhnete teploty nad 70 °C.
- Vezměte zkumavku (H) a vraťte ji na původní místo na stojanu na zkumavky.
- Smíchejte obsah zkumavky protřepáním skleněné tyčinky po dobu několika sekund.
- Snižte teplotu topné desky na 15°C.
- Vypni magnetické míchadlo.
- Počkejte 24 hodin (použijte tlačítko hodin pro posun času)
Test finálního řešení
- Pomocí kapátka naberte tekutinu ze kádinky, ve které je ponořen dialyzační sáček, a vpusťte 5 až 10 kapek roztoku do jamky C a 5 až 10 kapek roztoku do jamky F.
- Zbytek z kapátka vylijte do sběrné nádoby.
- Pomocí kapátka přidejte 5 až 10 kapek Lugolova roztoku do jamky označené C.
- Vylijte přebytečné množství z kapátka do sběrné nádoby.
- Pomocí kapátka přidejte 5 až 10 kapek dusičnanu stříbrného do jamky označené F.
- Vylijte přebytečné množství z kapátka do sběrné nádoby.
- Skleněnou tyčinkou dobře protřepejte kelímky C a F.
- Nastavte plotýnku, na které je vždy kádinka s vodou, na 75°C. Počkejte, až bude této teploty dosaženo.
- Zapněte magnetické míchadlo (levé tlačítko).
- Pomocí pipety naberte do zkumavky označené I 10 ml vody z kádinky, ve které je namáčen sáček.
- Pomocí pipety přidejte 10 ml Fehlingova roztoku A do zkumavky označené I.
- Pomocí pipety přidejte 10 ml Fehlingovy zkoumadla B do zkumavky označené I.
- Obsah zkumavky promíchejte krátkým zatřepáním.
- Připevněte zkumavku označenou (I) k univerzální svorce nad středem kádinky.
- Vložte teploměr do zkumavky a počkejte, až teplota ve zkumavce dosáhne nad 70 °C.
- Vezměte zkumavku (I) a vraťte ji na původní místo na stojanu na zkumavky.
- Obsah zkumavky promíchejte skleněnou tyčinkou po dobu několika sekund.
- Snižte teplotu topné desky na 15°C.
- Vypni magnetické míchadlo.
Pozorování jsou uvedena v tabulce výsledků.
- Pozitivní výsledek pro přítomnost komplexních sacharidů se projeví purpurovým zbarvením (jodid-škrobový komplex) ve jamce (Lugolův test).
- Pozitivní výsledek pro přítomnost NaCl povede k bílé sraženině (AgCl) v alveolu (reakce s dusičnanem stříbrným).
- Pozitivní výsledek na přítomnost jednoduchých sacharidů se projeví vznikem cihlově červené sraženiny (Cu2O) ve zkumavce (Fehlingova reakce).
Předvídané výsledky
Test na škrob s Lugolovým roztokem
Jodid (I-) obsažený v Lugolově roztoku reaguje s škrobem za vzniku jodidovo-škrobového komplexu. Když je jod přidán ke škrobu, zapadne do helikální struktury molekul škrobu, což způsobí změnu barvy na modročernou. Tato reakce se často používá jako kvalitativní test k indikaci přítomnosti škrobu.
Test NaCl s dusičnanem stříbrným
Dusičnan stříbrný reaguje s chloridem (Cl-) za vzniku bílé sraženiny AgCl (s).
Test glukózy
Fehling A: Fehlingovo roztok A je v podstatě roztok CuSO4 o molární koncentraci 0,05 M, charakteristickou nebesky modrou barvu mu dodávají ionty Cu2+.
Fehling B: Fehlingovo B roztok obsahuje Rochelleovu sůl (draselno-sodný tartrát) a 0,0625M NaOH. Fehlingovo B roztok je obvykle čirá, bezbarvá kapalina.
Když se Fehlingovo řešení A smíchá s Fehlingovým řešením B bez zahřívání, tato dvě řešení reagují za vzniku tmavě modrého komplexu. Tento komplex je výsledkem reakce iontů mědi (II) z Fehlingova roztoku A s tartrátovými ionty z Fehlingova roztoku B v alkalickém prostředí, čímž vzniká komplex mědi (II)-tartrát. Směs bude mít tmavě modrou barvu.
Teplo je nutné k tomu, aby došlo k redukci mědi (II) na měď (I), což vede k tmavší modré barvě.
Když se redukující cukry zavedou do zahřátého Fehlingova roztoku (směs Fehlinga A a B), dojde k chemické reakci, při níž redukující cukry darují elektrony iontům mědi (II), které se tak redukují na ionty mědi (I). Barva roztoku se změní z tmavě modré na světle modrou, po níž následuje výskyt červené sraženiny, což je indikací přítomnosti redukujících cukrů.
Tento test je specifický pro redukující cukry, což jsou cukry, které mají volné aldehydové nebo ketonové skupiny schopné působit jako redukční činidla. Mezi běžné redukující cukry patří glukóza, fruktóza, laktóza a maltóza. Nerestikující cukry, jako je sacharóza, v tomto testu nereagují, pokud nejsou hydrolyzovány na své redukující cukerné složky.
Výsledky testů
- Modro-černý roztok (škrob)
- B: hnědočervená (bez škrobu)
- C: modročerný roztok (škrob)
- bílý sraženina (NaCl)
- E: čistý (bez NaCl)
- Č: čistý (bez NaCl)
- tmavě modrá barva
- G: cihlově červená sraženina (glukóza)
- H: tmavě modrá (bez glukózy)
- červená sraženina (glukóza)
Po osmóze
Voda se přesunula zvenčí buňky dovnitř. To je pozorováno na hladině vody v kádince, která mírně poklesla, a na sáčku, který se mírně zvětšil. Glukóza a škrob se přesunuly zevnitř sáčku do vnějšího prostředí. Jsou detekovány ve vodě obklopující sáček pomocí Lugolova roztoku a Fehlingova roztoku. Koncentrace látek uvnitř a vně membrány, stejně jako velikost částic, je v poměru k velikosti pórů membrány.
Toto by se dalo vysvětlit 3 principy:
- Pohyb vody: Toto popisuje proces podobný osmóze, kde se voda pohybuje přes semipermeabilní membránu z oblasti nižší koncentrace rozpustných látek do oblasti vyšší koncentrace rozpustných látek. V tomto případě se voda uvnitř kádinky (mimo buňku nebo sáček) přesouvá do sáčku (reprezentujícího buňku), což způsobuje pokles hladiny vody v kádince a zvětšení sáčku, jak se naplňuje vodou.
- Movement of glucose and starch: This indicates that glucose and starch, initially inside the bag, have moved to the outside environment (the beaker water). This movement could be due to dialysis, a process where smaller molecules and ions can move through a semi-permeable membrane, while larger molecules cannot. The presence of glucose and starch in the external solution is confirmed using specific tests: Lugol’s iodine test for starch, which turns blue-black in the presence of starch, and Fehling’s solution test for reducing sugars like glucose, which results in a color change when glucose reduces the copper (II) ions in Fehling’s solution to copper(I) oxide.
- Concentration and particle size: This statement refers to the factors influencing the movement of substances across a membrane. The concentration gradient (the difference in substance concentration inside and outside the membrane) and the relative size of the particles compared to the membrane’s pore size determine which substances can pass through the membrane. Larger particles or molecules that exceed the pore size of the membrane cannot pass through, while smaller ones can.
Shrnutí úkolů podle věkové kategorie
3.–5. třída (věk 8–10 let)
- Fokus: Basic introduction to osmosis and diffusion, simple preparation steps, and basic observations.
- Aktivity: Preparing simple solutions, basic use of a dialysis bag, and introductory chemical tests.
6.–8. ročník (věk 11–13 let)
- Fokus: Intermediate understanding of osmosis and diffusion, detailed preparation steps, and intermediate observations.
- Aktivity: Preparing and heating solutions, using a dialysis bag for diffusion experiments, and applying chemical tests.
Třídy 9–12 (věk 14–18 let)
- Fokus: Advanced understanding of osmosis and diffusion, detailed preparation and observation, and comprehensive chemical testing.
- Aktivity: Preparing detailed solutions, performing complex diffusion experiments with a dialysis bag, and conducting in-depth chemical tests and analyses.
Laboratorní potřeby
Nástroje
- Beaker (250 ml & 600 ml)
- Erlenmeyers (50 mL)
- Deska kbelíku
- Kapátka
- Pipeta
- Graduated cylinder (10 ml & 100 ml)
- Plotýnka
- Stojan a svorky
- Osmosis bag
- Zkumavky
- Skleněná tyč
Produkty
- Fehling A solution
- Fehling B solution
- Glucose solution
- Roztok Lugol 2%
- Silver nitrate solution
- Sodium chloride in solution
- Starch solution