004 – Osmóza

Každá živá buňka je obklopena membránou, která propouští některé látky dovnitř a jiné zadržuje. Právě tato selektivita umožňuje buňce uchovat si bílkoviny a cukry a zároveň vyměňovat vodu, soli a živiny se svým okolí. Stejný princip se průmyslově využívá při čištění vody a nejznáměji pak při dialýze ledvin, kde přístroj provádí filtraci, kterou selhávající ledvina již zvětšit nedokáže.

Membrána tohoto druhu je popsána jako selektivně pernabilníje perforována póry specifické velikosti a to, zda rozpuštěná látka může projít, závisí především na velikosti jejích molekul. Malé molekuly a ionty procházejí snadno a šíří se difúzí – pohybují se z místa, kde jsou koncentrovanější, do místa, kde jsou zředěnější, dokud nejsou rovnoměrně rozmístěny. Velké molekuly jsou jednoduše příliš velké na to, aby se vešly, a zůstávají tam, kde jsou. Voda samotná prochází volně v obou směrech a její čistý pohyb směrem k raději koncentrovanější straně je to, co se správně nazývá osméza.

V této laboratoři naplníte dialyzační sáček směsí tří látek o velmi odlišné velikosti molekul — škobu, chloridu sodného a glukózy — a zavěsíte jej do kádinky s destilovanou vodou. Poté, co necháte systém proběhnout výměnou, otestujete vodu obklopující sáček i obsah samotného sáčku na přítomnost všech tří látek pomocí specifického chemického testu pro každou z nich. Porovnáním toho, které látky se objevily vně sáčku a které ne, stanovíte velikostní limit membrány, aniž byste kdy změřili nějaký pór.

Vzdělávací cíle

Seznámení s laboratorním prostředím

• Popište uspořádání a vybavení laboratoře pro osmózu Proteus, včetně dialyzačního vaku, univerzálního stojanu a svorky, topné desky s vodní lázní a destičky s jamkami používané pro barevné testy.

Použití ochranných prostředků

• Během práce noste rukavice a ochranu očí. Uvědomte si zejména, že dusičnan stříbrný skvrní kůži a oblečení a že vodní lázeň pracuje při teplotě nad 70 °C.

Sestavení a manipulace s dialyzační membránou

• Uzavřete, naplňte a upevněte dialyzační vak tak, aniž byste jeho obsah rozlili do okolní vody — kontaminace, která by znehodnotila každý následující test.
• Vysvětlete, proč musí být sáček ponořen, ale ne tak hluboko, aby jeho otevírání bylo pod vodní hladinou.

Přesný přenos malých objemů

• Pomocí pipety a 10ml odměrného válce smíchejte tři 3ml podíly, přičemž přebytek mezi látkami odstraňte, aby nedošlo k přenosu.

Provádění tří konkrétních chemických testů

• Proveďte Lugolův test na škrob, zkoušku dusičnanem stříbrným na chloridy a Fehlingův test na redukující cukr a u každého z nich předem uveďte, jak vypadá pozitivní a negativní výsledek.
• Uvědomte si, že Fehlingova zkouška vyžaduje zahřátí nad 70 °C a že její výsledek se odečítá podle vzniku sraženiny, nikoli pouze podle změny barvy.

Rozlišení difúze a osmózy

• Pomocí výsledků vysvětlete, které látky prošly membránou a proč, přičemž oddělte pohyb rozpuštěných látek od pohybu vody.

Uvažování z nepřímého měření

• Odvoďte vlastnost membrány – její přibližnou velikost pórů – z identity molekul, které jí prošly a neprošly.

Protokol

Kontrolní řešení (pozitivní)

NaCl a škrob

1. Pomocí kapátka naneste 5 až 10 kapek roztoku škrobu do jamky označené A.
2. Zbytek z kapátka vylijte do sběrné nádoby.
3. Pomocí kapátka vpusťte 5 až 10 kapek roztoku chloridu sodného do jamky označené D.
4. Vylijte přebytečné množství z kapátka do sběrné nádoby.
5. Pomocí kapátka přidejte 5 až 10 kapek Lugolova roztoku do jamky označené A.
6. Vylijte přebytečné množství z kapátka do sběrné nádoby.
7. Pomocí kapátka přidejte 5 až 10 kapek dusičnanu stříbrného do jamky označené D.
8. Vylijte přebytek z kapátka do sběrné nádoby.
9. Dobře protřepejte kelímky A a D skleněnou tyčinkou.

Pozorování kontrolních reakcí jsou uvedena v tabulce výsledků.

Glukóza

1. Nalijte 400 ml kohoutkové vody do 500 ml kádinky.
2. Vložte magnetickou tyčinku do kádinky.
3. Položte kádinku na plotýnku a nastavte na 75 °C. Počkejte, až se teploty dosáhne.
4. Zapnout magnetický motor (levé tlačítko).
5. Pomocí pipety vlijte 10 ml roztoku glukózy do zkumavky označené G.
6. Pomocí pipety přidejte 10 ml Fehlingova roztoku A do zkumavky označené G.
7. Pomocí pipety přidejte 10 ml Fehlingova roztoku B do zkumavky označené G.
8. Obsah zkumavky promíchejte krátkým zatřepáním.
9. Umístěte univerzální svorku na levý držák, nad 500ml kádinku připravenou v kroku 1.
10. Připojte zkumavku označenou G k univerzální svorce nad středem kádinky.
11. Vložte teploměr do zkumavky a počkejte, až teplota ve zkumavce dosáhne nad 70 °C.
12. Vrať zkumavku G na její původní místo na stojanu na zkumavky.
13. Obsah zkumavky promíchejte skleněnou tyčinkou po dobu několika sekund.
14. Jakmile reakce ve zkumavce proběhne (srážení), snižte teplotu topné desky na 15 °C.
15. Vypni magnetický motor.

Pozorování kontrolní reakce jsou uvedena v tabulce výsledků.

Příprava osmózního sáčku a test počátečního roztoku

1. Do 600ml kádinky nalijte 300 ml teplé vody z kohoutku.
2. Namočte dílyzální sáček do teplé vody, aby se stal prúžnější.
3. Přiložte černou zátku na spodní část dialyzačního sáčku, abyste jej uzavřeli.
4. 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.
5. Položte dialyzační sáček vodorovně na pult, širokým otvorem nahoru. Vlijte obsah odměrného válce do tohoto otvoru.
6. Umístěte prázdnou 250ml kádinku vedle univerzální podpěry vpravo.
7. Umístěte univerzální svorku na pravý univerzální stojan, nad střed baňky.
8. 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.
9. 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.
10. 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.
11. Zbytek z kapátka vylijte do sběrné nádoby.
12. Pomocí kapátka přidejte 5 až 10 kapek Lugolova roztoku do jamky označené B.
13. Zbytek z kapátka vylijte do sběrné nádoby.
14. Pomocí kapátka přidejte 5 až 10 kapek dusičnanu stříbrného do jamky označené E.
15. Vylijte přebytečné množství z kapátka do sběrné nádoby.
16. Dobře protřepejte kelímky B a E pomocí skleněné tyčinky.
17. Nastavte plotýnku, na které je vždy kádinka s vodou, na 75°C. Počkejte, až bude této teploty dosaženo.
18. Zapněte magnetické míchadlo (levé tlačítko).
19. Pomocí pipety naberte 10 ml vody z kádinky, ve které se namáčí sáček, a nalijte ji do zkumavky označené H.
20. Pomocí pipety přidejte 10 ml Fehlingovy zkoušky A do zkumavky označené H.
21. Pomocí pipety přidejte 10 ml Fehlingovy zkoušky B do zkumavky označené H.
22. Obsah zkumavky promíchejte krátkým zatřepáním.
23. Připevněte zkumavku označenou (H) k univerzální svorce nad středem kádinky.
24. Vložte teploměr do zkumavky a počkejte, dokud nedosáhnete teploty nad 70 °C.
25. Vezměte zkumavku (H) a vraťte ji na původní místo na stojanu na zkumavky.
26. Smíchejte obsah zkumavky protřepáním skleněné tyčinky po dobu několika sekund.
27. Snižte teplotu topné desky na 15°C.
28. Vypni magnetické míchadlo.
29. Počkejte 24 hodin (použijte tlačítko hodin pro posun času)

Test finálního řešení

1. 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.
2. Zbytek z kapátka vylijte do sběrné nádoby.
3. Pomocí kapátka přidejte 5 až 10 kapek Lugolova roztoku do jamky označené C.
4. Vylijte přebytečné množství z kapátka do sběrné nádoby.
5. Pomocí kapátka přidejte 5 až 10 kapek dusičnanu stříbrného do jamky označené F.
6. Vylijte přebytečné množství z kapátka do sběrné nádoby.
7. Skleněnou tyčinkou dobře protřepejte kelímky C a F.
8. Nastavte plotýnku, na které je vždy kádinka s vodou, na 75°C. Počkejte, až bude této teploty dosaženo.
9. Zapněte magnetické míchadlo (levé tlačítko).
10. Pomocí pipety naberte do zkumavky označené I 10 ml vody z kádinky, ve které je namáčen sáček.
11. Pomocí pipety přidejte 10 ml Fehlingova roztoku A do zkumavky označené I.
12. Pomocí pipety přidejte 10 ml Fehlingovy zkoumadla B do zkumavky označené I.
13. Obsah zkumavky promíchejte krátkým zatřepáním.
14. Připevněte zkumavku označenou (I) k univerzální svorce nad středem kádinky.
15. Vložte teploměr do zkumavky a počkejte, až teplota ve zkumavce dosáhne nad 70 °C.
16. Vezměte zkumavku (I) a vraťte ji na původní místo na stojanu na zkumavky.
17. Obsah zkumavky promíchejte skleněnou tyčinkou po dobu několika sekund.
18. Snižte teplotu topné desky na 15°C.
19. Vypni magnetické míchadlo.

Pozorování jsou uvedena v tabulce výsledků.

• Pozitivní výsledek přítomnosti komplexních sacharidů se v jamce projeví modročerným zbarvením (jod-škrobový komplex) (Lugolův test).
• Pozitivní výsledek na přítomnost NaCl se projeví vznikem bílé sraženiny (AgCl) v jamce (reakce s dusičnanem stříbrným).
• Pozitivní výsledek na přítomnost jednoduchých sacharidů se projeví vznikem cihlově červené sraženiny (Cu2O) ve zkumavce (Fehlingova reakce).

Předvídané výsledky

Ty tři látky a jejich velikosti. Výsledek experimentu je určen téměř výhradně velikostí molekul, takže stojí za to postavit tyto tři vedle sebe, než se podíváme na výsledky.

Látka	Přibližná molární hmotnost	Velikost vzhledem k pólům	Prochází membránou?
Škrob (amyloza a amylopektin)	105 – 106 g/mol	mnohem větší	ne
Glukóza, C6H12O6	180 g/mol	menší	ano
Sodné a chloridové ionty	23 a 35,5 g/mol	mnohem menší	ano

Očekávané výsledky. Voda obklopující sáček i obsah sáčku jsou testovány na všechny tři látky.

Test	Co to detekuje	Pozitivní výsledek vypadá takto	Voda kolem tašky	Uvnitř tašky
Lugolův roztok	Škrob	fialová až modročerná	negativní (jamka C)	pozitivní (jamka A)
Dusičnan stříbrný	Chloridový anion	bílá sraženina	pozitivní (jamka F)	pozitivní (jamka D)
Fehlingovo činidlo, zahřáté	Snižování množství cukru	cihlově červená sraženina	pozitivní (zkumavka I)	pozitivní (zkumavka G)

Škrobový test. Lugolův roztok obsahuje jod spolu s jodidem draselným, které se slučují za vzniku trijodidu, I₂ + Já⁻ → Já₃⁻. Zbarvení způsobuje trijodidový iont, a nikoli samotný jód nebo jodid: zapadá do šroubovitého řetězce amylózy a vzniklý komplex hostitel–host silně absorbuje ve viditelné oblasti spektra, čímž vzniká typická modročerná barva. Samotný jodid neposkytuje se škrobem žádné zbarvení, proto činidlo musí obsahovat obojí.

Test na chloridy. Ionty stříbra a chloridové ionty se slučují za vzniku sraženiny, která je ve vodě v podstatě nerozpustná:

Stříbro⁺(aq) + Cl⁻(aq) → AgCl(s) K_sp = 1,8 × 10⁻¹⁰

Protože K_sp je tak malá, že se zakalení objeví již při koncentracích chloridů, které jsou mnohem nižší, než by oko mohlo jinak zaznamenat, což z tohoto testu činí citlivý test na látku, která pronikla membránou pouze v nepatrném množství.

Test na glukózu. Fehlingovo činidlo se dodává ve formě dvou roztoků, které se smíchají těsně před použitím. Fehling A je síran měďnatý; Fehling B je tartrát draselný a sodný v přibližně 2,5 M roztoku hydroxidu sodného. Jejich smícháním vznikne tmavě modrý roztok, ve kterém tartrát udržuje měď(II) v roztoku jako rozpustný komplex — bez tohoto silně alkalického tartrátu by měď jednoduše vysrážela jako hydroxid měďnatý a činidlo by bylo nepoužitelné.

Glukóza je redukující cukr: obsahuje aldehydovou skupinu, která se za zahřívání oxiduje, a měďnaté ionty se výměnou redukují na měznaté, což vylučuje z roztoku cihlově červenou sraženinu oxidu měďného:

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

K této reakci je zapotřebí jak teplo, tak silně alkalické prostředí, a proto se teplota zkumavky ve vodní lázni zvýší nad 70 °C. Očekávaný vzhled zkumavky G je tedy tmavě modrá před zahřátím a a cihlově červená sraženina po zahřátí. Častým omylem je očekávat, že modrá barva ztmavne; to se nestane – modrá barva představuje spotřebovávaný měďnatý komplex a její mizení pod červenou sraženinou je pozitivním výsledkem.

Difúze a proč se zastaví. Glukóza a ionty se pohybují, protože se jejich koncentrace na obou stranách membrány liší. Čistý pohyb pokračuje po tomto gradientu, dokud se koncentrace nevyrovnají, v okamžiku, kdy se přechody v obou směrech vyrovnají a systém je v rovnováze. Soluty nic nepumpuje; proces nevyžaduje žádný přísun energie a nemůže pohybovat látkou proti jejímu vlastnímu gradientu.

Osmóza, což je samostatný jev. Voda rovněž prochází membránou a pohybuje se přednostně na stranu, kde je celková koncentrace rozpuštěné látky vyšší. Na začátku je to vnitřek vaku, takže voda vstupuje dovnitř a vak znatelně zpevňuje. Tlak, který by musel být vyvinut k zastavení tohoto toku, je osmotický tlak, pro zředěný roztok vyjádřený van’t Hoffovým vztahem:

Π = i M R T kde i je počet částic, které uvolňuje každá jednotka vzorce, M molarita, R = 8,314 J·mol⁻¹·K⁻¹ a T absolutní teplota.

Chlorid sodný přispívá k tomuto tlaku dvakrát více než stejná molarita glukózy, protože disociuje na dva ionty, zatímco glukóza zůstává jako jedna molekula. Škrob nepřispívá navzdory své hmotnosti téměř ničím, protože osmotický tlak počítá částice spíše než gramy – jediná molekula škrobu nesoucí tisíce jednotek glukózy vykazuje osmotický účinek jedné částice. To je v laboratoři tou nejjasnější ukázkou toho, že osmotický tlak je koligativní vlastnost.

Poznámka k názvu této laboratoře. Přísně vzato je pohyb rozpuštěných látek přes membránu difuze, případně dialýza, pokud membrána odděluje obě strany; osmóza se specificky týká pohybu rozpouštědla. Zde probíhají obě tyto věci současně a od studentů maturitního ročníku lze oprávněně požadovat, aby určili, které pozorování demonstruje co.

Shrnutí úkolů podle věkové kategorie

9. až 10. ročník

• Zaměření selektivní permeabilita jako pozorovatelná vlastnost a správné vyhodnocení chemického testu.
• Aktivity: sestavte a upevněte dialyzační vak; proveďte tři testy na obou vzorcích a každý zaznamenejte jako pozitivní nebo negativní do tabulky; uveďte, která látka neopustila vak; popište srozumitelným jazykem, proč velká molekula nemůže projít malým otvorem; poznamenejte, že vak je na konci pevnější než na začátku.

11. ročník

• Zaměření difúze podél koncentračního gradientu a chemické vlastnosti jednotlivých testů.
• Aktivity: vysvětlete souvislost mezi výsledkem (splnil/nesplnil) u každé látky a její molární hmotností; napište iontovou rovnici pro test s dusičnanem stříbrným a vysvětlete, proč je hodnota K malá_sp díky čemuž je test citlivější; vysvětlete, proč Fehlingův test vyžaduje teplo a zásady a proč modrá barva zmizí, místo aby se prohloubila; odhadněte, co by bylo možné pozorovat, kdyby byl sáček naplněn destilovanou vodou a místo toho ponořen do smíšeného roztoku.

12. ročník / Úroveň college

• Zaměření osmóza jako koligativní vlastnost a rozdíl mezi dialýzou a osmózou.
• Aktivity: použijte vzorec Π = iMRT k porovnání osmotických příspěvků látek o stejné molaritě – chloridu sodného, glukózy a škrobu – a vysvětlete, proč škrob navzdory své hmotnosti přispívá téměř nulovým příspěvkem; určete, které pozorované jevy v experimentu dokládají difúzi rozpuštěné látky a které pohyb rozpouštědla; odhadněte horní hranici velikosti pórů membrány na základě identifikace největší molekuly, která jimi prošla; diskutujte, co omezuje citlivost každého ze tří testů a který z nich by byl nejméně spolehlivý při detekci malého množství látky, která membránou prošla.

Laboratorní potřeby

Nástroje

• Kádinky (250 ml, 500 ml a 600 ml)
• Dialyzační vak
• Černá čepička (k uzavření sáčku)
• Univerzální stojan
• Univerzální svorka
• Mikrotitrační destička
• Zkumavky a stojan na zkumavky
• Kapátka
• Pipeta
• Odměrný válec (10 ml)
• Skleněná tyč
• Ohřívací deska s vodní lázní
• Magnetické míchadlo
• Teploměr
• Rukavice a ochrana očí

Produkty

• Škrobový roztok
• Roztok chloridu sodného
• Glukózový roztok
• Roztok Lugol 2 %
• Roztok dusičnanu stříbrného
• Fehlingovo činidlo A (síran měďnatý)
• Fehlingovo činidlo B (vinan sodno-draselný v přibližně 2,5 M NaOH)
• Deminerializovaná voda