004 – Osmosi

Ogni cellula viva è racchiusa da una membrana che lascia passare alcune sostanze e ne trattiene altre. Tale selettività è ciò che consente a una cellula di trattenere le proprie proteine e i propri zuccheri pur scambiando acqua, sali e sostanze nutritive con l'ambiente circostante. Lo stesso principio viene impiegato a livello industriale nella purificazione dell'acqua e, in modo più familiare, nella dialisi renale, in cui una macchina esegue la filtrazione che un rene non più funzionante non è più in grado di compiere.

Una membrana di questo tipo viene descritta come selettivamente permeabileè perforato da pori di una particolare dimensione e la possibilità che una sostanza discolta lo attraversi dipende principalmente dalle dimensioni delle sue molecole. Le molecole piccole e gli ioni passano facilmente e si diffondono, muovendosi da dove sono concentrati a dove sono diluiti fino a quando non sono distribuiti uniformemente. Le molecole grandi sono semplicemente troppo grandi per passare e rimangono dove sono. L'acqua stessa lo attraversa liberamente in entrambe le direzioni, e il suo movimento netto verso il lato più concentrato è ciò che viene propriamente chiamato osmosi.

In questo laboratorio riempirete un tubicino da dialisi con una miscela di tre sostanze di dimensioni molecolari molto diverse — amido, cloruro di sodio e glucosio — e lo sospenderete in un becher di acqua distillata. Dopo che il sistema avrà avuto il tempo di effettuare gli scambi, testerete sia l'acqua attorno al sacchetto sia il contenuto del sacchetto stesso per tutte e tre le sostanze, utilizzando un test chimico specifico per ciascuna. Confrontando quali sostanze compaiono all'esterno del sacchetto e quali no, stabilirete il limite dimensionale della membrana senza dover mai misurare un poro.

Obiettivi Educativi

Familiarizzazione con l'ambiente di laboratorio

• Identificare la configurazione e le attrezzature del laboratorio di osmosi Proteus, tra cui la sacca per dialisi, il supporto universale e il morsetto, la piastra riscaldante con il relativo bagno d’acqua e la piastra a pozzetti utilizzata per i test cromatici.

Uso di dispositivi di protezione

• Indossare guanti e protezione per gli occhi per tutta la durata dell'operazione. Si prega di notare in particolare che il nitrato d'argento macchia la pelle e gli indumenti e che il bagno maria opera a temperature superiori a 70 °C.

Assemblaggio e manipolazione di una membrana per dialisi

• Chiudere, riempire e montare una membrana da dialisi senza versare il suo contenuto nell'acqua circostante — una contaminazione che invaliderebbe ogni test successivo.
• Spiega perché il sacchetto deve essere immerso ma non al punto che la sua apertura si trovi sotto il livello dell'acqua.

Trasferimento accurato di piccoli volumi

• Usa una pipetta e un cilindro graduato da 10 mL per combinare tre porzioni da 3 mL, scartando l'eccesso tra le sostanze in modo che non si verifichi alcuna contaminazione crociata.

Esecuzione di tre test chimici specifici

• Eseguire il test di Lugol per l'amido, il test del nitrato d'argento per i cloruri e il test di Fehling per uno zucchero riducente, e indicare l'aspetto di un risultato positivo e di un risultato negativo in ciascun caso prima di eseguirlo.
• Riconoscere che il saggio di Fehling richiede il riscaldamento al di sopra dei 70 °C e che il suo risultato si legge dalla comparsa di un precipitato, non da un semplice cambiamento di colore.

Distinguere la diffusione dall'osmosi

• Usa i risultati per spiegare quali sostanze hanno attraversato la membrana e perché, e separa il movimento dei soluti disciolti dal movimento dell'acqua.

Ragionamento da una misurazione indiretta

• Dedurre una proprietà della membrana — la dimensione approssimativa dei suoi pori — dall'identità delle molecole che sono passate attraverso di essa e di quelle che non lo hanno fatto.

Protocollo

Le soluzioni di controllo (positive)

NaCl e amido

1. Usando il contagocce, metti 5-10 gocce di soluzione di amido nel pozzetto etichettato A.
2. Svuotare l'eccesso dal contagocce nel contenitore di recupero.
3. Usando il contagocce, metti 5-10 gocce di soluzione di cloruro di sodio nel pozzetto etichettato D.
4. Svuotare l'eccesso dal contagocce nel contenitore di recupero.
5. Usando il contagocce, aggiungi 5-10 gocce di Lugol nel pozzetto etichettato A.
6. Svuotare l'eccesso dal contagocce nel contenitore di recupero.
7. Usando il contagocce, aggiungere 5-10 gocce di nitrato d'argento nel pozzetto etichettato D.
8. Svuota il surplus dal contagocce nel contenitore di recupero.
9. Agitare bene le provette A e D usando la bacchetta di vetro.

Le osservazioni delle reazioni di controllo si trovano nella tabella dei risultati.

Glucosio

1. Riempire un becher da 500 mL con 400 mL di acqua di rubinetto.
2. Inserire l'asta magnetica nel becher.
3. Posizionare il becher sulla piastra riscaldante e impostarla a 75°C. Attendere che la temperatura venga raggiunta.
4. Accendi il motore magnetico (pulsante sinistro).
5. Usando la pipetta, metti 10 ml di soluzione di glucosio nel provetta contrassegnata con G.
6. Usando la pipetta, aggiungere 10 mL di Fehling A alla provetta etichettata G.
7. Usando il contagocce, aggiungi 10 mL di Fehling B nel provetta etichettata G.
8. Agitare la provetta per alcuni secondi per mescolare il contenuto.
9. Posizionare una pinza universale sul supporto sinistro, sopra il becher da 500 mL preparato nel passaggio 1.
10. Aggancia il provetta etichettato G alla pinza universale sopra il centro del becher.
11. Inserire il termometro nella provetta e attendere che la temperatura raggiunga sopra i 70°C nella provetta.
12. Prendi la provetta G e rimettila nella sua posizione originale sullo stativo portaprovette.
13. Mescola il contenuto della provetta agitando per qualche secondo con la bacchetta di vetro.
14. Una volta completata la reazione nella provetta (precipitazione), abbassare la temperatura della piastra riscaldante a 15°C.
15. Spegni il motore magnetico.

Le osservazioni della reazione di controllo si trovano nella tabella dei risultati.

Preparazione della sacca per osmosi e test della soluzione iniziale

1. Versa 300 mL di acqua tiepida del rubinetto nel becher da 600 mL.
2. Immergere il sacchetto per dialisi in acqua tiepida per renderlo più flessibile.
3. Metti un tappo nero sul fondo della sacca per dialisi per chiuderla.
4. Nel cilindro graduato da 10 mL, versare successivamente con la pipetta 3 mL di soluzione di amido, 3 mL di cloruro di sodio e 3 mL di soluzione di glucosio. Tra una sostanza e l'altra, svuotare il surplus nel contenitore di recupero.
5. Posizionare il sacchetto da dialisi orizzontalmente sul bancone, con l'apertura del lato più largo rivolta verso l'alto. Versare il contenuto del cilindro graduato in quest'apertura.
6. Posizionare il becher vuoto da 250 mL vicino al supporto universale, sulla destra.
7. Posizionare una pinza universale sul supporto universale destro, sopra il centro del becher.
8. Attacca il sacchetto di dialisi al supporto universale destro, usando il morsetto universale e posiziona l'intero assemblaggio verticalmente nel becher da 250 mL. Fai attenzione a non versare il contenuto del sacchetto di dialisi nel becher.
9. Versare circa 200 mL di acqua distillata nel becher da 250 mL in modo che il contenuto della bustina sia immerso nell'acqua. L'acqua non deve toccare l'estremità in cui si trova l'apertura della bustina.
10. Usando il contagocce, preleva il liquido dal becher in cui è immersa la sacca per dialisi. Metti da 5 a 10 gocce della soluzione nel pozzetto B e da 5 a 10 gocce della soluzione nel pozzetto E.
11. Svuotare l'eccesso dal contagocce nel contenitore di recupero.
12. Utilizzando il contagocce, aggiungi 5-10 gocce di soluzione di Lugol nel pozzetto etichettato B.
13. Svuotare l'eccesso dal contagocce nel contenitore di recupero.
14. Utilizzando il contagocce, aggiungere 5-10 gocce di nitrato d'argento nel pozzetto etichettato E.
15. Svuotare l'eccesso dal contagocce nel contenitore di recupero.
16. Agitare bene le provette B ed E usando la bacchetta di vetro.
17. Impostare la piastra riscaldante su cui si trova sempre il becher con acqua a 75°C. Attendere che la temperatura venga raggiunta.
18. Attivare l'agitatore magnetico (pulsante a sinistra).
19. Usando la pipetta, prelevare 10 mL dalla beuta nella quale è immerso il sacchetto e versarli nel provetta etichettata con H.
20. Usando la pipetta, aggiungere 10 mL di Fehling A nella provetta etichettata H.
21. Usando la pipetta, aggiungere 10 mL di Fehling B nel provetta etichettata H.
22. Agitare la provetta per alcuni secondi per mescolare il contenuto.
23. Fissare il provettone etichettato (H) al morsetto universale al centro del becher.
24. Inserisci il termometro nella provetta e attendi che venga raggiunta una temperatura superiore a 70°C nella provetta.
25. Prendi il provetta (H) e rimettila nella sua posizione iniziale sul portaprovette.
26. Mescola il contenuto della provetta agitando per alcuni secondi con la bacchetta di vetro.
27. Abbassare la temperatura della piastra riscaldante a 15°C.
28. Spegni l'agitatore magnetico.
29. Attendi 24 ore (usa il pulsante dell'orologio per avanzare nell'ora)

Test della soluzione finale

1. Con il contagocce, prelevare il liquido dal becher in cui è immersa la sacca di dialisi e mettere da 5 a 10 gocce della soluzione nel pozzetto C e da 5 a 10 gocce della soluzione nel pozzetto F.
2. Svuotare l'eccesso dal contagocce nel contenitore di recupero.
3. Usando il contagocce, aggiungi 5-10 gocce di Lugol nel pozzetto etichettato C.
4. Svuotare l'eccesso dal contagocce nel contenitore di recupero.
5. Usando il contagocce, aggiungi da 5 a 10 gocce di nitrato d'argento nel pozzetto etichettato F.
6. Svuotare l'eccesso dal contagocce nel contenitore di recupero.
7. Agitare bene le provette C e F utilizzando la bacchetta di vetro.
8. Impostare la piastra riscaldante su cui si trova sempre il becher con acqua a 75°C. Attendere che la temperatura venga raggiunta.
9. Attivare l'agitatore magnetico (pulsante a sinistra).
10. Usando la pipetta, prelevare 10 ml di acqua dal becher in cui la bustina è immersa e versarla nel provetta etichettata I.
11. Con la pipetta, aggiungere 10 mL di Fehling A nella provetta etichettata I.
12. Usando la pipetta, aggiungere 10 ml di Fehling B nel tubetto di prova etichettato I.
13. Agitare la provetta per alcuni secondi per mescolare il contenuto.
14. Fissare il provetta etichettata (I) al morsetto universale sopra il centro del becher.
15. Inserire il termometro nella provetta e attendere finché la temperatura nella provetta non supera i 70°C.
16. Prendi la provetta (I) e rimettila al suo posto originale sulla rastrelliera delle provette.
17. Mescola il contenuto della provetta agitando per qualche secondo con la bacchetta di vetro.
18. Abbassare la temperatura della piastra riscaldante a 15°C.
19. Spegni l'agitatore magnetico.

Le osservazioni si trovano nella tabella dei risultati.

• Un risultato positivo per la presenza di carboidrati complessi determinerà una colorazione blu-nera (complesso iodio-amido) nel pozzetto (test di Lugol).
• Un risultato positivo per la presenza di NaCl determinerà un precipitato bianco (AgCl) nel pozzetto (reazione al nitrato d'argento).
• Un risultato positivo per la presenza di carboidrati semplici si tradurrà in un precipitato rosso mattone (Cu2O) nella provetta (reazione di Fehling).

Risultati Previsti

Le tre sostanze e le loro dimensioni. Il risultato dell'esperimento è determinato quasi interamente dalle dimensioni molecolari, per cui vale la pena di affiancare le tre molecole prima di esaminare i risultati.

Risultati attesi. Sia l'acqua che circonda il sacchetto sia il contenuto del sacchetto vengono testati per tutte e tre le sostanze.

Il test dell'amido. La soluzione di Lugol contiene iodio insieme allo ioduro di potassio, che si combinano per dare triioduro, I₂ + I⁻ Io₃⁻. È lo ione triioduro, non lo iodio o lo ioduro da soli, a produrre il colore: si inserisce nella spira elicoidale della catena di amilosio, e il complesso ospite-ospite risultante assorbe fortemente nella regione visibile per dare il caratteristico blu-nero. Lo ioduro da solo non dà alcun colore con l'amido, motivo per cui il reagente deve contenerli entrambi.

Il test dei cloruri. Gli ioni argento e gli ioni cloruro si combinano per dare un precipitato essenzialmente insolubile in acqua:

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

Poiché K_SP è così piccolo, che compare un intorbidamento a concentrazioni di cloruro ben inferiori a quelle che l'occhio potrebbe altrimenti rilevare, il che rende questo un test sensibile per una sostanza che ha attraversato la membrana solo in quantità modesta.

Il test della glicemia. Il reagente di Fehling è fornito sotto forma di due soluzioni che vengono miscelate immediatamente prima dell’uso. Il Fehling A è solfato di rame (II); il Fehling B è tartrato di potassio e sodio in una soluzione di idrossido di sodio a circa 2,5 M. La loro miscelazione produce una soluzione di colore blu intenso in cui il tartrato mantiene il rame (II) in soluzione sotto forma di complesso solubile; senza quel tartrato fortemente alcalino, il rame precipiterebbe semplicemente come idrossido di rame (II) e il reagente risulterebbe inutilizzabile.

Il glucosio è uno zucchero riducente: presenta un gruppo aldeidico che, per effetto del calore, subisce un’ossidazione, mentre il rame (II) viene ridotto a rame (I), che si separa dalla soluzione sotto forma di un precipitato rosso mattone di ossido di rame (I):

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

La reazione richiede sia calore che un mezzo fortemente alcalino, motivo per cui la provetta viene portata sopra i 70 °C nel bagno d'acqua. L'aspetto previsto della provetta G è quindi blu scuro prima del riscaldamento e un precipitato rosso mattone dopo il riscaldamento. Un errore di interpretazione comune è aspettarsi che il colore blu si intensifichi; ciò non accade: il blu è il complesso di rame (II) che viene consumato, e la sua scomparsa sotto il precipitato rosso costituisce il risultato positivo.

Diffusione, e perché si ferma. Il glucosio e gli ioni si muovono perché le loro concentrazioni differiscono sui due lati della membrana. Il movimento netto continua lungo quel gradiente fino a quando le concentrazioni si eguagliano, momento in cui gli attraversamenti in entrambe le direzioni si bilanciano e il sistema è in equilibrio. Nessun elemento pompa i soluti; il processo non richiede immissione di energia e non può muovere una sostanza contro il proprio gradiente.

L'osmosi, che è un fenomeno a sé stante. Anche l'acqua attraversa la membrana e si muove preferenzialmente verso il lato in cui la concentrazione totale dei soluti disciolti è superiore. All'inizio questo è l'interno del sacchetto, quindi l'acqua entra e il sacchetto diventa sensibilmente più sodo. La pressione che si dovrebbe applicare per arrestare tale flusso è la pressione osmotica, data per una soluzione diluita dalla relazione di van 't Hoff:

Π = i M R T dove i è il numero di particelle rilasciate da ciascuna unità di formula, M la molarità, R = 8.314 J·mol⁻¹·K⁻¹ e T la temperatura assoluta.

Il cloruro di sodio contribuisce a questa pressione il doppio rispetto al glucosio a parità di molarità, poiché si dissocia in due ioni mentre il glucosio rimane una singola molecola. L'amido non contribuisce quasi per nulla nonostante la sua massa, poiché la pressione osmotica tiene conto delle particelle piuttosto che dei grammi: una singola molecola di amido, che trasporta migliaia di unità di glucosio, esercita l'effetto osmotico di una sola particella. Questa è la dimostrazione più chiara, in laboratorio, del fatto che la pressione osmotica è una proprietà colligativa.

Una nota sul nome di questo laboratorio. Strettamente parlando, il movimento dei soluti sciolti attraverso la membrana è diffusione, o dialisi quando una membrana separa i due lati; l'osmosi si riferisce specificamente al movimento del solvente. Entrambi stanno avvenendo qui contemporaneamente, e a una classe dell'ultimo anno si può ragionevolmente chiedere di identificare quale osservazione dimostra quale.

Riepilogo del compito per intervallo di voti

Classe 9-10

• Concentrazione: permeabilità selettiva come proprietà osservabile e la corretta interpretazione di un test chimico.
• Attività: assemblare e montare la sacca da dialisi; eseguire i tre test su entrambi i campioni e registrare ciascuno come positivo o negativo in una tabella; indicare quale sostanza non è uscita dalla sacca; descrivere in termini semplici perché una molecola grande non può passare attraverso un'apertura piccola; notare che alla fine la sacca risulta più soda rispetto all'inizio.

Undicesimo anno

• Concentrazione: diffusione lungo un gradiente di concentrazione e la chimica di ciascun test.
• Attività: mettere in relazione l'esito di superamento o fallimento di ciascuna sostanza con la sua massa molare; scrivere l'equazione ionica per il saggio con nitrato d'argento e spiegare perché un piccolo K_SP rende la questione delicata; spiega perché il test di Fehling richiede calore e un ambiente alcalino, e perché il colore blu svanisce anziché intensificarsi; prevedi cosa si osserverebbe se il sacchetto fosse stato riempito di acqua distillata e immerso nella soluzione mista.

12ª classe / Livello universitario

• Concentrazione: l'osmosi come proprietà colligativa e la distinzione tra dialisi e osmosi.
• Attività: utilizzare Π = iMRT per confrontare i contributi osmotici di soluzioni a pari molarità di cloruro di sodio, glucosio e amido, e spiegare perché l’amido non contribuisca quasi per nulla nonostante la sua massa; identificare quali osservazioni nell’esperimento dimostrano la diffusione del soluto e quali dimostrano il movimento del solvente; stimare un limite massimo della dimensione dei pori della membrana in base all’identità della molecola più grande che l’ha attraversata; discutere quali fattori limitano la sensibilità di ciascuno dei tre test e quale dei tre sarebbe meno affidabile nel rilevare una piccola quantità che l’avesse attraversata.

Materiale essenziale di laboratorio

Strumenti

• Bakers (250 mL, 500 mL & 600 mL) -> Becher (250 mL, 500 mL e 600 mL)
• Sacchetto da dialisi
• Tappo nero (per chiudere il sacchetto)
• Supporto universale
• Morsetto universale
• Piastra a pozzetti
• Provette e portaprovette
• Contagocce
• Pipetta
• Provetta graduata (10 mL)
• Bastoncino di vetro
• Piastra riscaldante con bagno d'acqua
• Ancora magnetica
• Termometro
• Guanti e protezione per gli occhi

Prodotti

• Soluzione di amido
• Soluzione di cloruro di sodio
• Soluzione di glucosio
• Soluzione di Lugol 2 %
• Soluzione di nitrato d'argento
• Soluzione di Fehling A (solfato di rame(II))
• Soluzione B di Fehling (tartrato di sodio e potassio in circa 2,5 M di NaOH)
• Acqua distillata