Diese Erfahrung zielt darauf ab, Dialyse durch eine Simulation der Diffusion verschiedener Substanzen durch eine semipermeable Membran, die durch den Dialysebeutel dargestellt wird, zu demonstrieren. Die Erfahrung veranschaulicht Schlüsselkonzepte der Zellbiologie und Chemie, wie die Permeabilität von Membranen, Diffusion und spezifische chemische Reaktionen zum Nachweis bestimmter Moleküle in einer Lösung.
Bildungsziele
Vorbereitung der Lösung und Erhitzen: Der Beginn des Experiments ist die Vorbereitung einer wässrigen Lösung und das Erhitzen eines Reagenzglases mit Glukose, um die Zubereitung der “virtuellen Zelle” und der umgebenden Lösung zu simulieren. Vorbereitung von Reagenzien für Tests: Die Vorbereitung von Bechern mit spezifischen Reagenzien für Glukose, Stärke und Salz bereitet den Boden für den Nachweis der Anwesenheit dieser Substanzen nach der Dialyse.
Vorbereitung des Dialysebeutels: Die Erfahrung simuliert die Zellmembran mittels eines Dialyseschlauchs, in den Stärke-, Salz- und Glukoselösungen gefüllt werden. Der Schlauch wird dann in destilliertes Wasser getaucht, um die extrazelluläre Umgebung zu simulieren. Diffusion und Dialyse: Die Umsetzung ermöglicht es, den Prozess der Diffusion von Molekülen durch die semipermeable Membran des Dialyseschlauchs zu beobachten und damit die Funktionsweise einer lebenden Zelle in ihrer Umgebung nachzuahmen.
Chemische Tests: Nach einer Dialysephase werden chemische Tests durchgeführt, um die Substanzen zu identifizieren, die sich durch den Beutel verbreitet haben. Diese Tests umfassen die Verwendung von Lugol zum Nachweis von Stärke, Fehling A und B für Glukose und Silbernitrat für Salz.
Beobachtung von Veränderungen: Erfahrung ermöglicht es, die Veränderungen in der chemischen Zusammensetzung des umgebenden Wassers und im Inneren des Dialysebeutels sowie jede Volumenveränderung im Beutel zu beobachten, was die Prinzipien von Osmose und Diffusion veranschaulicht.
Ziele der Erfahrung:
- Dialyse verstehen Demonstrieren Sie, wie sich Substanzen gemäß ihren Konzentrationsgradienten durch eine semipermeable Membran diffundieren.
- Veranschaulichen Sie die Prinzipien der Diffusion und Osmose: direkt beobachten, wie sich Moleküle von einem Bereich hoher Konzentration zu einem Bereich niedriger Konzentration bewegen und wie sich dies auf das Volumen im Dialysebeutel auswirkt.
- Anwendung chemischer Tests: nutzen bestimmte chemische Reaktionen, um das Vorhandensein von Glukose, Stärke und Salz nachzuweisen, und heben dabei die Bedeutung chemischer Indikatoren für den Nachweis von Substanzen hervor.
Diese Erfahrung bietet ein praktisches Verständnis grundlegender biologischer und chemischer Prozesse, indem sie Laborpraktiken nutzt, um Schlüsselkonzepte in Biologie und Chemie zu erforschen.
Protokoll
Die Kontrolllösungen (positiv)
NaCl und Stärke
- Geben Sie mit der Pipette 5 bis 10 Tropfen Stärkelösung in die Vertiefung mit der Bezeichnung A.
- Leeren Sie den Überschuss aus der Pipette in den Auffangbehälter.
- Geben Sie mit der Tropfflasche 5 bis 10 Tropfen Natriumchloridlösung in die Vertiefung mit der Kennzeichnung D.
- Leeren Sie den Überschuss aus der Pipette in den Auffangbehälter.
- Mit der Pipette 5–10 Tropfen Lugol in das mit A bezeichnete Vertiefung geben.
- Leeren Sie den Überschuss aus der Pipette in den Auffangbehälter.
- Fügen Sie mit der Pipette 5 bis 10 Tropfen Silbernitrat in die Vertiefung D ein.
- Leeren Sie den Überschuss aus der Pipette in den Auffangbehälter.
- Schütteln Sie die Becher A und D mit dem Glasstab gut.
Die Beobachtungen der Kontrollreaktionen finden sich in der Ergebnistabelle.
Glukose
- Füllen Sie 400 ml Leitungswasser in einen 500-ml-Becher.
- Den Magnetstab in den Becher einführen.
- Stellen Sie den Becher auf die Heizplatte und stellen Sie ihn auf 75°C ein. Warten Sie, bis die Temperatur erreicht ist.
- Schalte den Magnetmotor ein (linker Knopf).
- Pipettieren Sie 10 ml Glukoselösung in das Reagenzglas mit der Bezeichnung G.
- Mit der Pipette 10 ml Fehling A in das Reagenzglas mit der Bezeichnung G geben.
- Geben Sie mit der Pipette 10 ml Fehling B in das Reagenzglas mit der Bezeichnung G.
- Mischen Sie den Inhalt des Reagenzglases, indem Sie es einige Sekunden lang schütteln.
- Befestigen Sie eine Universal-Klemme links am Ständer, oberhalb des in Schritt 1 vorbereiteten 500-ml-Becherglases.
- Befestigen Sie das Reagenzglas mit der Bezeichnung G an der Universalklemme oberhalb der Mitte des Becherglases.
- Stecken Sie das Thermometer in das Reagenzglas und warten Sie, bis die Temperatur im Reagenzglas über 70 °C gestiegen ist.
- Nimm Reagenzglas G und stelle es an seine ursprüngliche Position im Reagenzglasständer zurück.
- Den Inhalt des Reagenzglases durch Rühren mit dem Glasstab für einige Sekunden mischen.
- Sobald die Reaktion im Reagenzglas abgeschlossen ist (Ausfällung), senken Sie die Temperatur der Heizplatte auf 15°C.
- Schalte den magnetischen Motor aus.
Die Beobachtungen der Kontrollreaktion sind in der Ergebnistabelle zu finden.
Vorbereitung des Osmosebeutels und Test der Anfangslösung
- Gib 300 ml lauwarmes Leitungswasser in den 600 ml Becher.
- Legen Sie den Dialysebeutel in warmes Wasser, um ihn geschmeidiger zu machen.
- Setzen Sie eine schwarze Kappe unten an den Dialysebeutel, um ihn zu verschließen.
- 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.
- Legen Sie den Dialyseschlauch waagerecht auf die Arbeitsfläche, die Öffnung der breiten Seite nach oben. Gießen Sie den Inhalt des Messzylinders in diese Öffnung.
- Stellen Sie den leeren 250-ml-Becher neben das Universalstativ auf der rechten Seite.
- Setzen Sie eine Universal-Klemme am rechten Universalständer, oberhalb der Mitte des Becherglases, an.
- 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.
- 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.
- 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.
- Leeren Sie den Überschuss aus der Pipette in den Auffangbehälter.
- Verwenden Sie die Pipette und geben Sie 5 bis 10 Tropfen Lugol'sche Lösung in die Vertiefung mit der Bezeichnung B.
- Leeren Sie den Überschuss aus der Pipette in den Auffangbehälter.
- Mit der Pipette 5 bis 10 Tropfen Silbernitrat in das mit E beschriftete Feld geben.
- Leeren Sie den Überschuss aus der Pipette in den Auffangbehälter.
- Schütteln Sie die Becher B und E gut mit dem Glasstab.
- Stellen Sie die Heizplatte, auf der sich immer der Becher mit Wasser befindet, auf 75°C. Warten Sie, bis die Temperatur erreicht ist.
- Schalten Sie den Magnetrührer ein (linke Taste).
- Füllen Sie mit der Pipette 10 ml Wasser aus dem Becher, in dem der Beutel liegt, in das mit H beschriftete Reagenzglas.
- Mit der Pipette 10 ml Fehling A in das Reagenzglas mit der Bezeichnung H einfüllen.
- Geben Sie mit der Pipette 10 ml Fehling B in das Reagenzglas mit der Bezeichnung H.
- Mischen Sie den Inhalt des Reagenzglases, indem Sie es einige Sekunden lang schütteln.
- Befestigen Sie das Reagenzglas mit der Kennzeichnung (H) an der Universal-Klemme oberhalb der Mitte des Becherglases.
- Stecken Sie das Thermometer in das Reagenzglas und warten Sie, bis eine Temperatur von über 70°C im Reagenzglas erreicht ist.
- Nimm das Reagenzglas (H) und lege es an seinen ursprünglichen Platz in den Reagenzglashalter zurück.
- Mischen Sie den Inhalt des Reagenzglases, indem Sie es einige Sekunden lang mit dem Glasstab schütteln.
- Stellen Sie die Temperatur der Heizplatte auf 15°C ein.
- Schalten Sie den Magnetrührer aus.
- Warte 24 Stunden (benutze den Uhren-Button, um die Zeit voranzutreiben)
Test der endgültigen Lösung
- 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.
- Leeren Sie den Überschuss aus der Pipette in den Auffangbehälter.
- Fügen Sie mit der Pipette 5 bis 10 Tropfen Lugol in das mit "C" beschriftete Feld.
- Leeren Sie den Überschuss aus der Pipette in den Auffangbehälter.
- Geben Sie mit der Pipette 5 bis 10 Tropfen Silbernitrat in die Vertiefung mit der Bezeichnung F.
- Leeren Sie den Überschuss aus der Pipette in den Auffangbehälter.
- Schütteln Sie die Becher C und F gut mit dem Glasstab.
- Stellen Sie die Heizplatte, auf der sich immer der Becher mit Wasser befindet, auf 75°C. Warten Sie, bis die Temperatur erreicht ist.
- Schalten Sie den Magnetrührer ein (linke Taste).
- Den 10 ml Wasser aus dem Becher, in dem sich der Beutel befindet, mit der Pipette in das Reagenzglas I geben.
- Mit der Pipette 10 ml Fehling A in das Reagenzglas mit der Beschriftung I geben.
- Füllen Sie mit der Pipette 10 ml Fehling B in das Reagenzglas mit der Bezeichnung I.
- Mischen Sie den Inhalt des Reagenzglases, indem Sie es einige Sekunden lang schütteln.
- Befestigen Sie das Reagenzglas (I) an der Universal-Klemme oberhalb der Mitte des Becherglases.
- Führen Sie das Thermometer in das Reagenzglas ein und warten Sie, bis die Temperatur im Reagenzglas über 70 °C angestiegen ist.
- Nimm das Reagenzglas (I) und stelle es an seinen ursprünglichen Platz im Reagenzglasständer zurück.
- Den Inhalt des Reagenzglases durch Rühren mit dem Glasstab für einige Sekunden mischen.
- Stellen Sie die Temperatur der Heizplatte auf 15°C ein.
- Schalten Sie den Magnetrührer aus.
Die Beobachtungen finden sich in der Ergebnistabelle.
- Ein positives Ergebnis für das Vorhandensein von komplexen Kohlenhydraten führt zu einer violetten Färbung (Iod-Stärke-Komplex) in der Vertiefung (Lugol-Test).
- Ein positives Ergebnis für das Vorhandensein von NaCl führt zu einem weißen Niederschlag (AgCl) im Alveolus (Silbernitratreaktion).
- Ein positives Ergebnis für die Anwesenheit von einfachen Kohlenhydraten führt in der Teströhre zu einem ziegelroten Niederschlag (Cu2O) (Fehling-Probe).
Erwartete Ergebnisse
Stärke-Test mit Lugolscher Lösung
Das in Lugolscher Lösung enthaltene Iod (I⁻) reagiert mit Stärke zu einem Iod-Stärke-Komplex. Wenn Iod zu Stärke gegeben wird, passt es in die Helixstruktur der Stärkemoleküle und führt zu einer Farbänderung nach blau-schwarz. Diese Reaktion wird häufig als qualitativen Test zum Nachweis von Stärke verwendet.
NaCl-Test mit Silbernitrat
Silbernitrat reagiert mit Chlorid (Cl-) unter Bildung eines weißen Niederschlags von AgCl (s).
Glukosetest
Fehling A: Die Fehling-A-Lösung ist im Wesentlichen eine CuSO4-Lösung mit einer Molarität von 0,05 M, deren charakteristische himmelblaue Farbe auf Cu2+-Ionen zurückzuführen ist.
Fehling B: Die Fehling-B-Lösung enthält Rochelle-Salz (Kalium-Natriumtartrat) und 0,0625 M NaOH. Fehling-B-Lösung ist typischerweise eine klare, farblose Flüssigkeit.
Wenn Fehling-Lösung A mit Fehling-Lösung B gemischt wird, ohne Erhitzen, reagieren die beiden Lösungen unter Bildung eines tiefblauen Komplexes. Dieser Komplex ist das Ergebnis der Reaktion von Kupfer(II)-Ionen aus Fehling-Lösung A mit Tartrat-Ionen aus Fehling-Lösung B in alkalischer Umgebung, wodurch ein Kupfer(II)-Tartrat-Komplex gebildet wird. Die Mischung wird eine tiefblaue Farbe haben.
Hitze ist notwendig, um die Reduktion von Kupfer(II) zu Kupfer(I) anzutreiben, was zu einer tieferen blauen Farbe führt.
Wenn reduzierende Zucker zur erhitzten Fehling-Lösung (einer Mischung aus Fehling A und B) gegeben werden, findet eine chemische Reaktion statt, bei der die reduzierenden Zucker Elektronen an die Kupfer(II)-Ionen abgeben und diese zu Kupfer(I)-Ionen reduzieren. Die Farbe der Lösung ändert sich von tiefblau zu hellblau, gefolgt von der Bildung eines roten Niederschlags, was auf das Vorhandensein von reduzierenden Zuckern hinweist.
Dieser Test ist spezifisch für reduzierende Zucker, das sind Zucker mit freien Aldehyd- oder Ketongruppen, die als Reduktionsmittel wirken können. Gängige reduzierende Zucker sind Glukose, Fruktose, Laktose und Maltose. Nichtreduzierende Zucker wie Saccharose reagieren in diesem Test nicht, es sei denn, sie werden zu ihren reduzierenden Zuckerkomponenten hydrolysiert.
Testergebnisse
- A: blau-schwarze Lösung (Stärke)
- B: bräunlichrot (keine Stärke)
- C: blau-schwarze Lösung (Stärke)
- D: weißer Niederschlag (NaCl)
- E: klar (kein NaCl)
- K: klar (kein NaCl)
- Tiefblaue Farbe
- ziegelroter Niederschlag (Glukose)
- Tiefblau (ohne Glukose)
- roter Niederschlag (Glukose)
Nach Osmose
Wasser hat sich von außerhalb der Zelle nach innen bewegt. Dies wird durch den leicht gesunkenen Wasserstand im Becherglas und die sich leicht vergrößerte Tüte beobachtet. Glukose und Stärke haben sich von der Innenseite der Tüte in das äußere Medium bewegt. Sie werden mit Lugol'scher Jodlösung und Fehling'scher Lösung in dem die Tüte umgebenden Wasser nachgewiesen. Die Konzentration der Substanzen innerhalb und außerhalb der Membran sowie die Partikelgröße stehen im Verhältnis zur Größe der Membranporen.
Dies könnte durch 3 Prinzipien erklärt werden:
- Wasserbewegung: Dies beschreibt einen Prozess wie Osmose, bei dem sich Wasser über eine semipermeable Membran von einem Bereich geringerer Solutkonzentration zu einem Bereich höherer Solutkonzentration bewegt. In diesem Fall bewegt sich das Wasser im Becher (außerhalb der Zelle oder des Beutels) in den Beutel (der die Zelle darstellt), wodurch der Wasserstand im Becher sinkt und sich der Beutel ausdehnt, da er sich mit Wasser füllt.
- Bewegung von Glukose und StärkeDies zeigt, dass Glukose und Stärke, die sich ursprünglich in der Beuteltasche befanden, in die äußere Umgebung (das Becherwasser) übergegangen sind. Diese Bewegung könnte auf Dialyse zurückzuführen sein, einem Prozess, bei dem kleinere Moleküle und Ionen durch eine semipermeable Membran wandern können, während größere Moleküle dies nicht können. Das Vorhandensein von Glukose und Stärke in der externen Lösung wird durch spezifische Tests bestätigt: Der Lugol-Jod-Test für Stärke, der sich in Gegenwart von Stärke blau-schwarz färbt, und der Fehling-Test für reduzierende Zucker wie Glukose, der zu einer Farbänderung führt, wenn Glukose die Kupfer(II)-Ionen in der Fehling-Lösung zu Kupfer(I)-oxid reduziert.
- 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.
Zusammenfassung der Aufgaben nach Klassenstufen
Klassen 3-5 (Alter 8-10)
- Fokus: Basic introduction to osmosis and diffusion, simple preparation steps, and basic observations.
- Aktivitäten: Preparing simple solutions, basic use of a dialysis bag, and introductory chemical tests.
Klassen 6-8 (Alter 11-13)
- Fokus: Intermediate understanding of osmosis and diffusion, detailed preparation steps, and intermediate observations.
- Aktivitäten: Preparing and heating solutions, using a dialysis bag for diffusion experiments, and applying chemical tests.
Klassen 9-12 (Alter 14-18)
- Fokus: Advanced understanding of osmosis and diffusion, detailed preparation and observation, and comprehensive chemical testing.
- Aktivitäten: Preparing detailed solutions, performing complex diffusion experiments with a dialysis bag, and conducting in-depth chemical tests and analyses.
Labor-Grundausstattung
Instrumente
- Beaker (250 ml & 600 ml)
- Erlenmeyers (50 mL)
- Eimerplatte
- Tropfer
- Pipette
- Graduated cylinder (10 ml & 100 ml)
- Heizplatte
- Laborständer und Klemmen
- Osmosis bag
- Reagenzgläser
- Glasstab
Produkte
- Fehling A solution
- Fehling B solution
- Glucose solution
- Lugol-Lösung 2%
- Silver nitrate solution
- Sodium chloride in solution
- Starch solution