Cette expérience vise à démontrer la dialyse à travers une simulation de la diffusion de différentes substances à travers une membrane semi-perméable, représentée par le sac de dialyse. L'expérience illustre des concepts clés de la biologie cellulaire et de la chimie, tels que la perméabilité des membranes, la diffusion, ainsi que des réactions chimiques spécifiques pour tester la présence de certaines molécules en solution.
Objectifs Éducatifs
Préparation de la solution et chauffage : Le début de l'expérience consiste à préparer une solution aqueuse et à chauffer un tube à essai contenant du glucose pour simuler la préparation de la “ cellule virtuelle ” et de la solution environnante. Préparation des réactifs pour les tests : la préparation de récipients avec des réactifs spécifiques pour le glucose, l'amidon et le sel prépare le terrain pour vérifier la présence de ces substances après dialyse.
Préparation du sac de dialyse : L'expérience simule la membrane cellulaire à l'aide d'une poche de dialyse, dans laquelle des solutions d'amidon, de sel et de glucose sont placées. La poche est ensuite immergée dans de l'eau distillée pour simuler l'environnement extracellulaire. Diffusion et dialyse : La mise en œuvre permet d'observer le processus de diffusion des molécules à travers la membrane semi-perméable de la poche de dialyse, imitant ainsi le fonctionnement d'une cellule vivante dans son environnement.
Tests chimiques : Après une période de dialyse, des tests chimiques sont effectués pour identifier les substances qui se sont disséminées à travers la poche. Ces tests comprennent l'utilisation de Lugol pour détecter l'amidon, de Fehling A et B pour le glucose, et de nitrate d'argent pour le sel.
Observation des changements: L'expérience permet d'observer les changements de composition chimique de l'eau environnante et de l'intérieur du sac de dialyse, ainsi que toute modification de volume dans le sac, illustrant les principes de l'osmose et de la diffusion.
Objectifs de l'expérience :
- Comprendre la dialyse : Démontrez comment les substances diffusent à travers une membrane semi-perméable selon leurs gradients de concentration.
- Illustrer les principes de diffusion et d'osmose : observez directement comment les molécules se déplacent d'une zone de forte concentration vers une zone de faible concentration, et comment cela affecte le volume du sac de dialyse.
- Application des tests chimiques : Pour tester la présence de glucose, d'amidon et de sel, on utilise des réactions chimiques spécifiques en mettant l'accent sur l'importance des indicateurs chimiques dans la détection des substances. **1. Détection du Glucose : La Réaction de Benedict** * **Substance à tester :** Glucose (un sucre réducteur) * **Réactif :** Solution de Benedict (un mélange de sulfate de cuivre, de citrate de sodium et de carbonate de sodium) * **Indicateur chimique :** La solution de Benedict agit elle-même comme indicateur. Elle contient des ions cuivre(II) ($\text{Cu}^{2+}$) en milieu alcalin. * **Réaction chimique :** Le glucose réduit les ions cuivre(II) bleus ($\text{Cu}^{2+}$) en ions cuivre(I) rouges ($\text{Cu}^{+}$) sous forme d'oxyde de cuivre(I) ($\text{Cu}_2\text{O}$). * En milieu alcalin et chauffé, le glucose est oxydé pour former de l'acide gluconique. * La réaction globale simplifiée est : Glucose + 2$\text{Cu}^{2+}$ (bleu) + 5$\text{OH}^-$ $\rightarrow$ Acide gluconique + $\text{Cu}_2\text{O}$ (rouge/orange/jaune) + 3$\text{H}_2\text{O}$ * **Procédure et observation :** 1. Prélever un échantillon de la substance à tester. 2. Ajouter une quantité égale de solution de Benedict. 3. Chauffer le mélange dans un bain-marie pendant quelques minutes. 4. **Observation :** Si la solution vire du bleu au vert, puis au jaune, à l'orange ou au rouge brique, cela indique la présence de glucose. La couleur observer dépend de la concentration de glucose. Un précipité rouge brique est caractéristique d'une forte concentration. * **Importance de l'indicateur :** Sans la solution de Benedict, il serait impossible de distinguer le glucose d'autres substances incolores ou d'observer un changement visuel détectable. Les ions $\text{Cu}^{2+}$ bleus, en réagissant avec le glucose, se transforment en un composé de couleur différente ($\text{Cu}_2\text{O}$), rendant la présence du glucose visuellement évidente. **2. Détection de l'Amidon : La Réaction à l'Iode** * **Substance à tester :** Amidon (un polysaccharide) * **Réactif :** Solution d'iode (souvent sous forme de Lugol, qui est une solution d'iode et d'iodure de potassium) * **Indicateur chimique :** La solution d'iode est l'indicateur. L'iode moléculaire ($\text{I}_2$) s'insère dans la structure hélicoïdale de l'amylose, un composant de l'amidon. * **Réaction chimique :** Il ne s'agit pas d'une réaction redox classique, mais d'une réaction d'inclusion ou d'adsorption. Les molécules d'iode s'accumulent dans les cavités de la chaîne d'amylose, formant un complexe coloré. * **Procédure et observation :** 1. Prélever un échantillon de la substance à tester. 2. Ajouter quelques gouttes de solution d'iode. 3. **Observation :** Si la solution vire au bleu foncé, au violet ou au noir, cela indique la présence d'amidon. En présence d'eau seule, la solution d'iode reste jaune-brun. * **Importance de l'indicateur :** L'iode, par sa capacité à former un complexe coloré spécifique avec l'amidon, permet sa détection visuelle immédiate. Sans cette interaction, la présence de l'amidon, une substance généralement incolore en solution, passerait inaperçue. **3. Détection du Sel (Chlorure de Sodium) : La Réaction avec le Nitrate d'Argent** * **Substance à tester :** Chlorure de sodium (un sel ionique) * **Réactif :** Solution de nitrate d'argent ($\text{AgNO}_3$) * **Indicateur chimique :** Le nitrate d'argent est l'agent qui réagit pour former un précipité. L'observation de ce précipité est l'indicateur visuel. * **Réaction chimique :** Les ions chlorure ($\text{Cl}^-$) provenant du sel réagissent avec les ions argent ($\text{Ag}^+$) du nitrate d'argent pour former un précipité insoluble de chlorure d'argent ($\text{AgCl}$). * Réaction ionique : $\text{Ag}^+$ (aq) + $\text{Cl}^-$ (aq) $\rightarrow$ $\text{AgCl}$ (s) (précipité blanc) * Équation moléculaire : $\text{NaCl}$ (aq) + $\text{AgNO}_3$ (aq) $\rightarrow$ $\text{AgCl}$ (s) + $\text{NaNO}_3$ (aq) * **Procédure et observation :** 1. Dissoudre le sel suspecté dans de l'eau distillée pour obtenir une solution. 2. Ajouter quelques gouttes de solution de nitrate d'argent à cette solution. 3. **Observation :** La formation immédiate d'un précipité blanc laiteux indique la présence d'ions chlorure, et donc la présence de chlorure de sodium (ou d'un autre sel soluble contenant des chlorures). Si le chlorure d'argent est exposé à la lumière, il peut se décomposer en observant une teinte grisâtre ou violacée. * **Importance de l'indicateur :** La réaction avec le nitrate d'argent est cruciale car elle transforme les ions chlorure, invisibles en solution, en un solide visible ($\text{AgCl}$). Sans cette réaction, il serait impossible de détecter la présence de chlorures dans une solution incolore en utilisant uniquement des observations visuelles simples. **Conclusion sur l'importance des indicateurs chimiques :** Les indicateurs chimiques sont essentiels dans ces tests car ils permettent une détection visuelle ou mesurable de substances spécifiques. Sans eux, la présence de glucose, d'amidon ou d'ions chlorure dans un échantillon serait difficile, voire impossible, à confirmer par des moyens simples. Ces indicateurs transforment une substance invisible ou indistincte en un changement de couleur, un précipité ou une autre observation tangible, prouvant ainsi l'existence de la substance recherchée.
Cette expérience offre une compréhension pratique des processus biologiques et chimiques fondamentaux, utilisant des techniques de laboratoire pour explorer les concepts clés de la biologie et de la chimie.
Protocole
Les solutions de contrôle (positives)
NaCl et amidon
- À l'aide de.
- Videz l'excédent du compte-gouttes dans le récipient de récupération.
- À l'aide de la pipette, déposez 5 à 10 gouttes de solution de chlorure de sodium dans le puits étiqueté D.
- Videz l'excédent du compte-gouttes dans le récipient de récupération.
- À l'aide du compte-gouttes, ajoutez 5 à 10 gouttes de Lugol dans le puits étiqueté A.
- Videz l'excédent du compte-gouttes dans le récipient de récupération.
- À l'aide de la pipette, ajoutez 5 à 10 gouttes de nitrate d'argent dans le puits étiqueté D.
- Vider le surplus du compte-gouttes dans le bac de récupération.
- Agitez bien les gobelets A et D à l'aide de la baguette de verre.
Les observations des réactions de contrôle se trouvent dans le tableau des résultats.
Glucose
- Remplir un bécher de 500 mL avec 400 mL d'eau du robinet.
- Insérez la tige magnétique dans le bécher.
- Placez le bécher sur la plaque chauffante et réglez à 75°C. Attendez que la température soit atteinte.
- Allumez le moteur magnétique (bouton de gauche).
- À l'aide de la pipette, introduire 10 mL de solution de glucose dans le tube à essai étiqueté G.
- À l'aide de la pipette, ajoutez 10 mL de Fehling A dans le tube à essai étiqueté G.
- À l'aide de la pipette, ajouter 10 ml de Fehling B dans le tube à essai étiqueté G.
- Mélangez le contenu du tube à essai en le secouant quelques secondes.
- Placez une pince universelle sur le support gauche, au-dessus du bécher de 500 mL préparé à l'étape 1.
- Fixer le tube à essai étiqueté G à la pince universelle au-dessus du centre du bécher.
- Insérez le thermomètre dans le tube à essai et attendez que la température atteigne plus de 70°C dans le tube à essai.
- Prenez le tube à essai G et remettez-le à sa place d'origine dans le support à tubes à essai.
- Mélangez le contenu du tube à essai en agitant quelques secondes avec la baguette de verre.
- Une fois la réaction dans le tube à essai terminée (précipitation), abaisser la température de la plaque chauffante à 15°C.
- Éteignez le moteur magnétique.
Les observations de la réaction témoin se trouvent dans le tableau des résultats.
Préparation du sac d'osmose et test de la solution initiale
- Versez 300 ml d'eau tiède du robinet dans le bécher de 600 ml.
- Faire tremper le sac de dialyse dans de l'eau tiède pour le rendre plus souple.
- Mettez un bouchon noir au fond du sac de dialyse pour le fermer.
- Dans l'éprouvette graduée de 10 mL, verser successivement à l'aide de la pipette 3 mL de solution d'amidon, 3 mL de chlorure de sodium et 3 mL de solution de glucose. Entre chaque substance, vider le surplus dans le récipient de récupération.
- Placez le sac de dialyse horizontalement sur le comptoir, l'ouverture du côté large vers le haut. Versez le contenu de l'éprouvette graduée dans cette ouverture.
- Placez le bécher vide de 250 ml à côté du support universel sur la droite.
- Placez une pince universelle sur le support universel droit, au-dessus du centre du bécher.
- Attacher le sac de dialyse au support universel droit, à l'aide de la pince universelle et placer l'ensemble verticalement dans le bécher de 250 mL. Veiller à ne pas verser le contenu du sac de dialyse dans le bécher.
- Pour environ 200 mL d'eau distillée dans le bécher de 250 mL de manière à immerger le contenu du sachet dans l'eau. L'eau ne doit pas toucher l'extrémité où se trouve l'ouverture du sachet.
- À l'aide de la pipette, prélevez le liquide du bécher dans lequel le sac de dialyse est immergé. Déposez 5 à 10 gouttes de la solution dans le puits B et 5 à 10 gouttes de la solution dans le puits E.
- Videz l'excédent du compte-gouttes dans le récipient de récupération.
- À l'aide du compte-gouttes, ajoutez 5 à 10 gouttes de solution de Lugol dans le puits étiqueté B.
- Videz l'excédent du compte-gouttes dans le récipient de récupération.
- À l'aide de la pipette, ajoutez 5 à 10 gouttes de nitrate d'argent dans le puits étiqueté E.
- Videz l'excédent du compte-gouttes dans le récipient de récupération.
- Secouer vigoureusement les gobelets B et E avec la tige en verre.
- Réglez la plaque chauffante sur laquelle se trouve toujours le bécher d'eau sur 75°C. Attendez que la température soit atteinte.
- Allumer l'agitateur magnétique (bouton de gauche).
- À l'aide de la pipette, introduire 10 ml d'eau du bécher dans lequel trempe le sachet dans le tube à essai étiqueté H.
- À l'aide de la pipette, ajoutez 10 ml de Fehling A dans le tube à essai étiqueté H.
- À l'aide de la pipette, ajoutez 10 ml de Fehling B dans le tube à essai étiqueté H.
- Mélangez le contenu du tube à essai en le secouant quelques secondes.
- Fixez le tube à essai étiqueté (H) à la pince universelle au-dessus du centre du bécher.
- Insérez le thermomètre dans le tube à essai et attendez qu'une température supérieure à 70°C soit atteinte dans le tube à essai.
- Reprenez le tube à essai (H) et remettez-le à son emplacement initial sur le support à tubes à essai.
- Mélangez le contenu du tube à essai en l'agitant pendant quelques secondes avec la tige de verre.
- Baissez la température de la plaque chauffante à 15°C.
- Éteindre l'agitateur magnétique.
- Attendez 24h (utilisez le bouton horloge pour avancer dans le temps)
Test de la solution finale
- À l'aide de la pipette, prélever le liquide du bécher dans lequel le sac de dialyse est trempé et déposer 5 à 10 gouttes de la solution dans le puits C et 5 à 10 gouttes de la solution dans le puits F.
- Videz l'excédent du compte-gouttes dans le récipient de récupération.
- À l'aide du compte-gouttes, ajoutez 5 à 10 gouttes de Lugol dans le puits étiqueté C.
- Videz l'excédent du compte-gouttes dans le récipient de récupération.
- Utilisez la pipette pour ajouter 5 à 10 gouttes de nitrate d'argent dans le puits étiqueté F.
- Videz l'excédent du compte-gouttes dans le récipient de récupération.
- Agitez bien les éprouvettes C et F à l'aide de la tige de verre.
- Réglez la plaque chauffante sur laquelle se trouve toujours le bécher d'eau sur 75°C. Attendez que la température soit atteinte.
- Allumer l'agitateur magnétique (bouton de gauche).
- À l'aide de la pipette, introduire 10 ml dans le tube à essai étiqueté I de l'eau du bécher dans lequel le sachet trempe.
- À l'aide de la pipette, ajouter 10 ml du réactif de Fehling A dans le tube à essai étiqueté I.
- À l'aide de la pipette, ajouter 10 mL de Fehling B dans le tube à essai étiqueté I.
- Mélangez le contenu du tube à essai en le secouant quelques secondes.
- Fixer le tube à essai étiqueté (I) au collier universel au-dessus du centre du bécher.
- Insérez le thermomètre dans le tube à essai et attendez que la température dans le tube à essai atteigne plus de 70°C.
- Prenez le tube à essai (I) et remettez-le à sa place d'origine sur le portoir à éprouvettes.
- Mélangez le contenu du tube à essai en agitant quelques secondes avec la baguette de verre.
- Baissez la température de la plaque chauffante à 15°C.
- Éteindre l'agitateur magnétique.
Les observations se trouvent dans le tableau des résultats.
- Un résultat positif pour la présence de glucides complexes entraînera une coloration violette (complexe iode-amidon) dans le puits (test de Lugol).
- Un résultat positif pour la présence de NaCl entraînera un précipité blanc (AgCl) dans l'alvéole (réaction à l'argent).
- Un résultat positif pour la présence de glucides simples donnera un précipité rouge brique (Cu2O) dans le tube à essai (réaction de Fehling).
Résultats attendus
Test d'amidon avec la solution de Lugol
L'iode (I-) contenu dans la solution de Lugol réagit avec l'amidon pour former un complexe iode-amidon. Lorsque l'iode est ajouté à l'amidon, il s'insère dans la structure hélicoïdale des molécules d'amidon, ce qui entraîne un changement de couleur bleu-noir. Cette réaction est souvent utilisée comme test qualitatif pour indiquer la présence d'amidon.
Test de NaCl avec du nitrate d'argent
Le nitrate d'argent réagit avec les ions chlorure (Cl-) pour produire un précipité blanc d'AgCl (s).
Test de glucose
Fehling A : La solution de Fehling A est essentiellement une solution de CuSO4 d'une molarité de 0,05 M, avec sa couleur bleu ciel caractéristique due aux ions Cu2+.
Solution de Fehling B : La solution de Fehling B contient du sel de Rochelle (tartrate de potassium et de sodium) et du NaOH 0,0625 M. La solution de Fehling B est généralement un liquide clair et incolore.
Lorsque la solution A de Fehling est mélangée à la solution B de Fehling sans chauffage, les deux solutions réagissent pour former un complexe bleu profond. Ce complexe est le résultat de la réaction des ions cuivre (II) de la solution A de Fehling avec les ions tartrate de la solution B de Fehling dans un environnement alcalin, formant ainsi un complexe cuivre (II)-tartrate. Le mélange sera d'une couleur bleu profond.
La chaleur est nécessaire pour entraîner la réduction du cuivre (II) en cuivre (I), ce qui donne une couleur bleu plus foncé.
Lorsque vous introduisez des sucres réducteurs dans la solution de Fehling chauffée (un mélange de Fehling A et B), une réaction chimique se produit où les sucres réducteurs donnent des électrons aux ions cuivre(II), les réduisant en ions cuivre(I). La couleur de la solution passe du bleu profond au bleu clair, suivie de l'apparition d'un précipité rouge, ce qui indique la présence de sucres réducteurs.
Ce test est spécifique aux sucres réducteurs, qui sont des sucres possédant des groupements aldéhyde ou cétone libres capables d'agir comme agents réducteurs. Les sucres réducteurs courants comprennent le glucose, le fructose, le lactose et le maltose. Les sucres non réducteurs, comme le saccharose, ne réagissent pas à ce test, sauf s'ils sont hydrolysés en leurs composants sucres réducteurs.
Résultats des tests
- A: solution bleu-noir (amidon)
- rouge brunâtre (sans amidon)
- C: solution bleu-noir (amidon)
- D : précipité blanc (NaCl)
- E: clair (pas de NaCl)
- F: clair (sans NaCl)
- G: bleu profond
- précipité rouge brique (glucose)
- H : bleu profond (sans glucose)
- précipité rouge (glucose)
Après l'osmose
L'eau s'est déplacée de l'extérieur de la cellule vers l'intérieur. Ceci est observé par le niveau d'eau dans le bécher, qui a légèrement diminué, et par le sac, qui s'est légèrement agrandi. Le glucose et l'amidon se sont déplacés de l'intérieur du sac vers le milieu extérieur. Ils sont détectés dans l'eau entourant le sac à l'aide des tests à l'iode de Lugol et à la solution de Fehling. La concentration des substances à l'intérieur et à l'extérieur de la membrane, ainsi que la taille des particules, est relative à la taille des pores de la membrane.
Cela pourrait s'expliquer par 3 principes :
- Mouvement de l'eau : Ceci décrit un processus similaire à l'osmose, où l'eau se déplace à travers une membrane semi-perméable d'une zone de faible concentration en soluté vers une zone de forte concentration en soluté. Dans ce cas, l'eau à l'intérieur du bécher (à l'extérieur de la cellule ou du sac) se déplace dans le sac (représentant la cellule), provoquant une diminution du niveau d'eau dans le bécher et une expansion du sac car il se remplit d'eau.
- Mouvement du glucose et de l'amidonCela indique que le glucose et l'amidon, initialement à l'intérieur du sac, se sont déplacés vers l'environnement extérieur (l'eau du bécher). Ce mouvement pourrait être dû à la dialyse, un processus par lequel les petites molécules et les ions peuvent traverser une membrane semi-perméable, tandis que les grosses molécules ne le peuvent pas. La présence de glucose et d'amidon dans la solution externe est confirmée à l'aide de tests spécifiques : le test à l'iode de Lugol pour l'amidon, qui devient bleu-noir en présence d'amidon, et le test à la liqueur de Fehling pour les sucres réducteurs comme le glucose, qui entraîne un changement de couleur lorsque le glucose réduit les ions cuivre (II) de la liqueur de Fehling en oxyde de cuivre (I).
- Concentration et taille des particules: 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.
Résumé du devoir par tranche d'âge
Niveaux 3-5 (âges 8-10)
- Concentre-toi: Basic introduction to osmosis and diffusion, simple preparation steps, and basic observations.
- Activités: Preparing simple solutions, basic use of a dialysis bag, and introductory chemical tests.
De la 6e à la 8e année (11-13 ans)
- Concentre-toi: Intermediate understanding of osmosis and diffusion, detailed preparation steps, and intermediate observations.
- Activités: Preparing and heating solutions, using a dialysis bag for diffusion experiments, and applying chemical tests.
Secondaire 3-5 (14-18 ans)
- Concentre-toi: Advanced understanding of osmosis and diffusion, detailed preparation and observation, and comprehensive chemical testing.
- Activités: Preparing detailed solutions, performing complex diffusion experiments with a dialysis bag, and conducting in-depth chemical tests and analyses.
Essentiels de laboratoire
Instruments
- Beaker (250 ml & 600 ml)
- Erlenmeyers (50 mL)
- Plaque de seau
- Gouttes
- Pipette
- Graduated cylinder (10 ml & 100 ml)
- Plaque chauffante
- Support de laboratoire et pinces
- Osmosis bag
- Éprouvettes
- Baguette de verre
Produits
- Fehling A solution
- Fehling B solution
- Glucose solution
- Solution de Lugol 2%
- Silver nitrate solution
- Sodium chloride in solution
- Starch solution