004 – Osmose

Jede lebende Zelle ist von einer Membran umschlossen, die bestimmte Substanzen durchlässt und andere zurückhält. Diese Selektivität ermöglicht es einer Zelle, ihre Proteine und Zucker zu behalten und gleichzeitig Wasser, Salze und Nährstoffe mit ihrer Umgebung auszutauschen. Dasselbe Prinzip wird industriell bei der Wasserreinigung und, am bekanntesten, bei der Nierendialyse angewendet, bei der eine Maschine die Filtration übernimmt, zu der eine versagende Nیره nicht mehr in der Lage ist.

Eine Membran dieser Art wird als selektiv permeableSie ist von Poren einer bestimmten Größe durchlöchert, und ob ein gelöster Stoff passieren kann, hängt hauptsächlich davon ab, wie groß seine Moleküle sind. Kleine Moleküle und Ionen passieren sie leicht und breiten sich durch Diffusion aus, indem sie sich von dort, wo sie konzentriert sind, dorthin bewegen, wo sie verdünnt sind, bis sie gleichmäßig verteilt sind. Große Moleküle sind schlicht zu groß, um hindurchzupassen, und bleiben, wo sie sind. Wasser selbst durchquert sie in beide Richtungen frei, und seine Nettobewegung zur konzentrierteren Seite hin wird als Osmose bezeichnet.

In diesem Laboratorium füllen Sie einen Dialyseschlauch mit einer Mischung aus drei Substanzen von sehr unterschiedlichem Molekulargewicht — Stärke, Natriumchlorid und Glucose — und hängen ihn in ein Becherglas mit destilliertem Wasser. Nachdem das System Zeit hatte, Stoffe auszutauschen, testen Sie sowohl das Wasser außerhalb des Schlauchs als auch den Inhalt des Schlauchs selbst auf alle drei Substanzen, indem Sie für jede einen spezifischen chemischen Nachweis verwenden. Indem Sie vergleichen, welche Substanzen außerhalb des Schlauchs auftreten und welche nicht, bestimmen Sie die Größenbegrenzung der Membran, ohne jemals eine Pore zu messen.

Bildungsziele

Einarbeitung in die Laborumgebung

• Beschreiben Sie den Aufbau und die Ausstattung des Proteus-Osmose-Labors, einschließlich des Dialysebeutels, des Universalständers und der Klemme, der Heizplatte mit Wasserbad sowie der Mikrotiterplatte für die Farbtests.

Verwendung von Schutzausrüstung

• Tragen Sie durchgehend Handschuhe und einen Augenschutz. Beachten Sie insbesondere, dass Silbersalzsäure Haut und Kleidung verfärbt und dass das Wasserbad bei über 70 °C betrieben wird.

Zusammenbau und Handhabung einer Dialysemembran

• Schließen, füllen und befestigen Sie eine Dialyseschlauch, ohne dessen Inhalt in das umgebende Wasser zu verschütten – eine Verunreinigung, die jeden nachfolgenden Test ungültig machen würde.
• Erkläre, warum der Beutel untergetaucht werden muss, aber nicht so weit, dass sich seine Öffnung unterhalb der Wasserlinie befindet.

Genaue Übertragung kleiner Volumina

• Verwenden Sie eine Pipette und einen 10-mL-Messzylinder, um drei 3-mL-Portionen zusammenzugeben, wobei überschüssige Flüssigkeit zwischen den Substanzen verworfen wird, sodass keine Verschleppung stattfindet.

Durchführung von drei spezifischen chemischen Tests

• Führen Sie den Lugol-Test auf Stärke, den Silbernitrat-Test auf Chlorid und den Fehling-Test auf reduzierende Zucker durch und geben Sie vor der Durchführung jeweils an, wie ein positives und ein negatives Ergebnis aussehen.
• Erkennen Sie, dass der Fehling-Test ein Erhitzen über 70 °C erfordert und dass sein Ergebnis am Auftreten eines Niederschlags abgelesen wird, nicht allein an einer Farbänderung.

Die Unterscheidung zwischen Diffusion und Osmose

• Verwenden Sie die Ergebnisse, um zu erklären, welche Substanzen die Membran passiert haben und warum, und trennen Sie dabei die Bewegung gelöster Stoffe von der Bewegung des Wassers.

Schlussfolgerung aus einer indirekten Messung

• Leiten Sie eine Eigenschaft der Membran – ihre ungefähre Porengröße – aus der Identität der Moleküle ab, die sie passiert haben und die sie nicht passiert haben.

Protokoll

Die Kontrolllösungen (positiv)

NaCl und Stärke

1. Geben Sie mit der Pipette 5 bis 10 Tropfen Stärkelösung in die Vertiefung mit der Bezeichnung A.
2. Leeren Sie den Überschuss aus der Pipette in den Auffangbehälter.
3. Geben Sie mit der Tropfflasche 5 bis 10 Tropfen Natriumchloridlösung in die Vertiefung mit der Kennzeichnung D.
4. Leeren Sie den Überschuss aus der Pipette in den Auffangbehälter.
5. Mit der Pipette 5–10 Tropfen Lugol in das mit A bezeichnete Vertiefung geben.
6. Leeren Sie den Überschuss aus der Pipette in den Auffangbehälter.
7. Fügen Sie mit der Pipette 5 bis 10 Tropfen Silbernitrat in die Vertiefung D ein.
8. Leeren Sie den Überschuss aus der Pipette in den Auffangbehälter.
9. Schütteln Sie die Becher A und D mit dem Glasstab gut.

Die Beobachtungen der Kontrollreaktionen finden sich in der Ergebnistabelle.

Glukose

1. Füllen Sie 400 ml Leitungswasser in einen 500-ml-Becher.
2. Den Magnetstab in den Becher einführen.
3. Stellen Sie den Becher auf die Heizplatte und stellen Sie ihn auf 75°C ein. Warten Sie, bis die Temperatur erreicht ist.
4. Schalte den Magnetmotor ein (linker Knopf).
5. Pipettieren Sie 10 ml Glukoselösung in das Reagenzglas mit der Bezeichnung G.
6. Mit der Pipette 10 ml Fehling A in das Reagenzglas mit der Bezeichnung G geben.
7. Geben Sie mit der Pipette 10 ml Fehling B in das Reagenzglas mit der Bezeichnung G.
8. Mischen Sie den Inhalt des Reagenzglases, indem Sie es einige Sekunden lang schütteln.
9. Befestigen Sie eine Universal-Klemme links am Ständer, oberhalb des in Schritt 1 vorbereiteten 500-ml-Becherglases.
10. Befestigen Sie das Reagenzglas mit der Bezeichnung G an der Universalklemme oberhalb der Mitte des Becherglases.
11. Stecken Sie das Thermometer in das Reagenzglas und warten Sie, bis die Temperatur im Reagenzglas über 70 °C gestiegen ist.
12. Nimm Reagenzglas G und stelle es an seine ursprüngliche Position im Reagenzglasständer zurück.
13. Den Inhalt des Reagenzglases durch Rühren mit dem Glasstab für einige Sekunden mischen.
14. Sobald die Reaktion im Reagenzglas abgeschlossen ist (Ausfällung), senken Sie die Temperatur der Heizplatte auf 15°C.
15. Schalte den magnetischen Motor aus.

Die Beobachtungen der Kontrollreaktion sind in der Ergebnistabelle zu finden.

Vorbereitung des Osmosebeutels und Test der Anfangslösung

1. Gib 300 ml lauwarmes Leitungswasser in den 600 ml Becher.
2. Legen Sie den Dialysebeutel in warmes Wasser, um ihn geschmeidiger zu machen.
3. Setzen Sie eine schwarze Kappe unten an den Dialysebeutel, um ihn zu verschließen.
4. Gießen Sie mithilfe der Pipette abwechselnd 3 ml Stärkelösung, 3 ml Natriumchloridlösung und 3 ml Glukoselösung in den 10-ml-Messzylinder. Leeren Sie zwischen den einzelnen Substanzen den Überschuss in den Auffangbehälter.
5. Legen Sie den Dialyseschlauch waagerecht auf die Arbeitsfläche, die Öffnung der breiten Seite nach oben. Gießen Sie den Inhalt des Messzylinders in diese Öffnung.
6. Stellen Sie den leeren 250-ml-Becher neben das Universalstativ auf der rechten Seite.
7. Setzen Sie eine Universal-Klemme am rechten Universalständer, oberhalb der Mitte des Becherglases, an.
8. Befestigen Sie den Dialysebeutel mit der Universalklemme am rechten Universalständer und stellen Sie die gesamte Anordnung senkrecht in den 250-ml-Becher. Achten Sie darauf, den Inhalt des Dialysebeutels nicht in den Becher zu gießen.
9. Gießen Sie ungefähr 200 ml destilliertes Wasser in den 250-ml-Becher, sodass der Inhalt des Beutels im Wasser untergetaucht ist. Das Wasser darf das Ende, an dem sich die Öffnung des Beutels befindet, nicht berühren.
10. Nehmen Sie mit der Pipette die Flüssigkeit aus dem Becherglas, in dem der Dialysebeutel liegt. Geben Sie 5 bis 10 Tropfen der Lösung in Vertiefung B und 5 bis 10 Tropfen der Lösung in Vertiefung E.
11. Leeren Sie den Überschuss aus der Pipette in den Auffangbehälter.
12. Verwenden Sie die Pipette und geben Sie 5 bis 10 Tropfen Lugol'sche Lösung in die Vertiefung mit der Bezeichnung B.
13. Leeren Sie den Überschuss aus der Pipette in den Auffangbehälter.
14. Mit der Pipette 5 bis 10 Tropfen Silbernitrat in das mit E beschriftete Feld geben.
15. Leeren Sie den Überschuss aus der Pipette in den Auffangbehälter.
16. Schütteln Sie die Becher B und E gut mit dem Glasstab.
17. Stellen Sie die Heizplatte, auf der sich immer der Becher mit Wasser befindet, auf 75°C. Warten Sie, bis die Temperatur erreicht ist.
18. Schalten Sie den Magnetrührer ein (linke Taste).
19. Füllen Sie mit der Pipette 10 ml Wasser aus dem Becher, in dem der Beutel liegt, in das mit H beschriftete Reagenzglas.
20. Mit der Pipette 10 ml Fehling A in das Reagenzglas mit der Bezeichnung H einfüllen.
21. Geben Sie mit der Pipette 10 ml Fehling B in das Reagenzglas mit der Bezeichnung H.
22. Mischen Sie den Inhalt des Reagenzglases, indem Sie es einige Sekunden lang schütteln.
23. Befestigen Sie das Reagenzglas mit der Kennzeichnung (H) an der Universal-Klemme oberhalb der Mitte des Becherglases.
24. Stecken Sie das Thermometer in das Reagenzglas und warten Sie, bis eine Temperatur von über 70°C im Reagenzglas erreicht ist.
25. Nimm das Reagenzglas (H) und lege es an seinen ursprünglichen Platz in den Reagenzglashalter zurück.
26. Mischen Sie den Inhalt des Reagenzglases, indem Sie es einige Sekunden lang mit dem Glasstab schütteln.
27. Stellen Sie die Temperatur der Heizplatte auf 15°C ein.
28. Schalten Sie den Magnetrührer aus.
29. Warte 24 Stunden (benutze den Uhren-Button, um die Zeit voranzutreiben)

Test der endgültigen Lösung

1. Mit der Pipette entnehmen Sie die Flüssigkeit aus dem Becherglas, in dem der Dialyseschlauch liegt, und geben Sie 5 bis 10 Tropfen der Lösung in Vertiefung C sowie 5 bis 10 Tropfen der Lösung in Vertiefung F.
2. Leeren Sie den Überschuss aus der Pipette in den Auffangbehälter.
3. Fügen Sie mit der Pipette 5 bis 10 Tropfen Lugol in das mit "C" beschriftete Feld.
4. Leeren Sie den Überschuss aus der Pipette in den Auffangbehälter.
5. Geben Sie mit der Pipette 5 bis 10 Tropfen Silbernitrat in die Vertiefung mit der Bezeichnung F.
6. Leeren Sie den Überschuss aus der Pipette in den Auffangbehälter.
7. Schütteln Sie die Becher C und F gut mit dem Glasstab.
8. Stellen Sie die Heizplatte, auf der sich immer der Becher mit Wasser befindet, auf 75°C. Warten Sie, bis die Temperatur erreicht ist.
9. Schalten Sie den Magnetrührer ein (linke Taste).
10. Den 10 ml Wasser aus dem Becher, in dem sich der Beutel befindet, mit der Pipette in das Reagenzglas I geben.
11. Mit der Pipette 10 ml Fehling A in das Reagenzglas mit der Beschriftung I geben.
12. Füllen Sie mit der Pipette 10 ml Fehling B in das Reagenzglas mit der Bezeichnung I.
13. Mischen Sie den Inhalt des Reagenzglases, indem Sie es einige Sekunden lang schütteln.
14. Befestigen Sie das Reagenzglas (I) an der Universal-Klemme oberhalb der Mitte des Becherglases.
15. Führen Sie das Thermometer in das Reagenzglas ein und warten Sie, bis die Temperatur im Reagenzglas über 70 °C angestiegen ist.
16. Nimm das Reagenzglas (I) und stelle es an seinen ursprünglichen Platz im Reagenzglasständer zurück.
17. Den Inhalt des Reagenzglases durch Rühren mit dem Glasstab für einige Sekunden mischen.
18. Stellen Sie die Temperatur der Heizplatte auf 15°C ein.
19. Schalten Sie den Magnetrührer aus.

Die Beobachtungen finden sich in der Ergebnistabelle.

• Ein positiver Befund auf komplexe Kohlenhydrate führt zu einer blauschwarzen Färbung (Jod-Stärke-Komplex) in der Vertiefung (Lugol-Test).
• Ein positives Ergebnis für das Vorhandensein von NaCl führt zu einem weißen Niederschlag (AgCl) in der Vertiefung (Silbernitratreaktion).
• Ein positives Ergebnis für die Anwesenheit von einfachen Kohlenhydraten führt in der Teströhre zu einem ziegelroten Niederschlag (Cu2O) (Fehling-Probe).

Erwartete Ergebnisse

Die drei Substanzen und ihre Größen. Das Ergebnis des Experiments wird fast vollständig von der molekularen Größe bestimmt, weshalb es sich lohnt, die drei nebeneinander zu stellen, bevor man sich die Ergebnisse ansieht.

Erwartete Ergebnisse. Sowohl das Wasser, das den Beutel umgibt, als auch der Inhalt des Beutels werden auf alle drei Substanzen getestet.

Der Stärkenachweis. Lugolsche Lösung enthält Iod zusammen mit Kaliumiodid, die sich zu Triiodid, I, verbinden₂ + I⁻ → I₃⁻. Es ist das Trijodid-Ion und nicht Jod oder Jodid allein, das die Farbe erzeugt: Es lagert sich in die Schraubenwindung der Amylosekette ein, und der entstehende Wirt-Gast-Komplex absorbiert im sichtbaren Bereich stark, was das charakteristische Blau-Schwarz ergibt. Jodid allein färbt Stärke nicht, weshalb das Reagenz beide enthalten muss.

Der Chloridtest. Silberionen und Chloridionen verbinden sich zu einem Niederschlag, der in Wasser im Wesentlichen unlöslich ist:

Ag⁺(aq) + Cl⁻(aq) → AgCl(s) K_SP = 1,8 × 10⁻¹⁰

Wegen K_SP ist so gering, dass eine Trübung bei Chloridkonzentrationen auftritt, die weit unter dem liegen, was das Auge sonst erkennen könnte, was dies zu einem empfindlichen Test für eine Substanz macht, die die Membran nur in mäßiger Menge passiert hat.

Der Glukosetest. Fehlings Reagenz wird als zwei Lösungen geliefert, die unmittelbar vor der Verwendung zusammengegebeben werden. Fehling A ist Kupfersulfat; Fehling B ist Kalium-Natrium-Tartrat in etwa 2,5 M Natronlauge. Durch das Mischen entsteht eine tiefblaue Lösung, in der das Tartrat das Kupfer(II) als löslichen Komplex in Lösung hält – ohne dieses stark alkalische Tartrat würde das Kupfer einfach als Kupfer(II)-hydroxid ausfallen und das Reagenz wäre nutzlos.

Glucose ist ein reduzierender Zucker: Sie trägt eine Aldehydgruppe, die beim Erhitzen oxidiert wird, während Kupfer(II) im Gegenzug zu Kupfer(I) reduziert wird, was als ziegelroter Niederschlag von Kupfer(I)-oxid aus der Lösung ausfällt:

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

Die Reaktion erfordert sowohl Hitze als auch ein stark alkalisches Medium, weshalb das Reagenzglas im Wasserbad auf über 70 °C erhitzt wird. Das erwartete Aussehen von Reagenzglas G ist daher tiefblau vor dem Erhitzen und ein ziegelroter Niederschlag nach dem Erhitzen. Ein häufiger Lesefehler besteht darin zu erwarten, dass sich das Blau vertieft; das tut es nicht – das Blau ist der Kupfer(II)-Komplex, der verbraucht wird, und sein Verschwinden unter dem roten Niederschlag ist das positive Ergebnis.

Diffusion und warum sie stoppt. Glucose und die Ionen bewegen sich, weil sich ihre Konzentrationen auf den beiden Seiten der Membran unterscheiden. Die Nettobewegung setzt sich entlang dieses Gradienten fort, bis sich die Konzentrationen ausgleichen, woraufhin sich die Passagen in beide Richtungen ausgleichen und das System im Gleichgewicht ist. Nichts pumpt die gelösten Stoffe; der Prozess benötigt keine Energiezufuhr und kann eine Substanz nicht gegen ihren eigenen Gradienten bewegen.

Osmose, was ein separater Effekt ist. Wasser wandert ebenfalls durch die Membran und bewegt sich vorzugsweise auf die Seite, auf der die Konzentration der gelösten Stoffe insgesamt höher ist. Zu Beginn ist dies das Innere des Beutels, sodass Wasser einströmt und der Beutel merklich fester wird. Der Druck, der aufgebracht werden müsste, um diesen Fluss zu stoppen, ist der osmotische Druck, der für eine verdünnte Lösung durch die van-t-Hoff-Beziehung gegeben ist:

Π = i M R T wo i ist die Anzahl der Teilchen, die jede Formeleinheit abgibt, M die Molarität, R = 8,314 J·mol⁻¹·K⁻¹ und T die absolute Temperatur.

Natriumchlorid trägt doppelt so viel zu diesem Druck bei wie dieselbe Molarität an Glucose, da es in zwei Ionen dissoziiert, während Glucose ein einzelnes Molekül bleibt. Stärke trägt trotz ihrer Masse fast nichts dazu bei, da der osmotische Druck Partikel statt Gramm zählt – ein einzelnes Stärkemolekül, das Tausende von Glucoseeinheiten trägt, übt die osmotische Wirkung eines einzigen Partikels aus. Dies ist die anschaulichste Veranschaulichung im Labor, dass der osmotische Druck eine kolligative Eigenschaft ist.

Eine Anmerkung zum Namen dieses Labors. Genau genommen handelt es sich bei der Bewegung der gelösten Stoffe durch die Membran um Diffusion oder um Dialyse, wenn eine Membran die beiden Seiten trennt; Osmose bezeichnet spezifisch die Bewegung des Lösungsmittels. Hier finden beide Vorgänge gleichzeitig statt, und von einer Abschlussklasse kann man vernünftigerweise verlangen, dass sie erkennt, welche Beobachtung welchen Vorgang demonstriert.

Zusammenfassung der Aufgaben nach Klassenstufen

9. bis 10. Klasse

• Fokus Selektive Permeabilität als beobachtbare Eigenschaft und das korrekte Ablesen eines chemischen Tests.
• Aktivitäten: den Dialyseschlauch zusammenbauen und montieren; die drei Tests an beiden Proben durchführen und jeden als positiv oder negativ in einer Tabelle protokollieren; angeben, welche Substanz den Schlauch nicht verlassen hat; in einfachen Worten beschreiben, warum ein großes Molekül nicht durch eine kleine Öffnung passen kann; beachten, dass sich der Schlauch am Ende fester anfühlt als zu Beginn.

11. Klasse

• Fokus Diffusion entlang eines Konzentrationsgefälles und die Chemie jedes Tests.
• Aktivitäten: Setze das Bestanden-oder-Durchgefallen-Ergebnis für jede Substanz in Beziehung zu ihrer molaren Masse; schreibe die Ionengleichung für den Silbernitrat-Test und erkläre, warum ein kleiner K_SP das empfindlich macht; erklären Sie, warum der Fehling-Test Wärme und Alkali erfordert und warum das Blau verschwindet, anstatt sich zu vertiefen; sagen Sie voraus, was stattdessen beobachtet würde, wenn der Beutel mit destilliertem Wasser gefüllt und in die gemischte Lösung gehängt worden wäre.

12. Klasse / College-Niveau

• Fokus Osmose als kolligative Eigenschaft und der Unterschied zwischen Dialyse und Osmose.
• Aktivitäten: Verwenden Sie Π = iMRT, um die osmotischen Beiträge äquivalenter Molaritäten von Natriumchlorid, Glucose und Stärke zu vergleichen, und erklären Sie, warum die Stärke trotz ihrer Masse fast keinen Beitrag leistet; identifizieren Sie, welche Beobachtungen im Experiment die Diffusion von Gelöstem und welche die Bewegung von Lösungsmitteln demonstrieren; schätzen Sie eine obere Grenze für die Porengröße der Membran anhand der Identität des größten Moleküls ab, das sie passiert hat; diskutieren Sie, was die Empfindlichkeit jedes der drei Tests begrenzt und welcher der drei am wenigsten zuverlässig bei der Detektion einer kleinen Menge wäre, die die Membran passiert hat.

Labor-Grundausstattung

Instrumente

• Bechergläser (250 ml, 500 ml & 600 ml)
• Dialyseschlauch
• Schwarze Kappe (zum Verschließen des Beutels)
• Universalständer
• Universalklemme
• Wellplatte
• Reagenzgläser und Reagenzglasständer
• Tropfer
• Pipette
• Messzylinder (10 ml)
• Glasstab
• Heizplatte mit Wasserbad
• Magnetrührstab
• Thermometer
• Handschuhe und Augenschutz

Produkte

• Stärkelösung
• Natriumchloridlösung
• Glukoselösung
• Lugol-Lösung 2 %
• Silbernitratlösung
• Fehling-Reagenz A (Kupfer(II)-sulfat-Lösung)
• Fehling-B-Lösung (Kaliumnatriumtartrat in ca. 2,5 M NaOH)
• Destilliertes Wasser