004 – Osmioza

Każda żywa komórka jest otoczona błoną, która przepuszcza jedne substancje, a zatrzymuje inne. Ta selektywność pozwala komórce zachować białka i cukry, a jednocześnie wymieniać wodę, sole i składniki odżywcze z otoczeniem. Ta sama zasada jest wykorzystywana przemysłowo w oczyszczaniu wody oraz, co najbardziej znane, w dializie nerek, gdzie maszyna przeprowadza filtrację, której niewydolna nerka nie jest już w stanie wykonać.

Membrana tego rodzaju jest opisywana jako przepuszczalna wybiórczojest przepuszczalna przez pory określonej wielkości, a to, czy rozpuszczona substancja może przez nią przejść, zależy głównie od wielkości jej cząsteczek. Małe cząsteczki i jony przechodzą z łatwością i rozprzestrzeniają się w drodze dyfuzji, poruszając się z miejsca, gdzie ich stężenie jest wysokie, do miejsca, gdzie jest niskie, aż do momentu, gdy rozłożą się równomiernie. Duże cząsteczki są po prostu zbyt wielkie, aby się zmieścić, i pozostają na swoim miejscu. Sama woda przenika swobodnie w obu kierunkach, a jej ruch netto w stronę o wyższym stężeniu jest tym, co słusznie nazywamy osmozą.

W tym laboratorium napełnisz woreczek do dializy mieszaniną trzech substancji o bardzo różnej wielkości cząsteczek — skrobi, chlorku sodu i glukozy — a następnie zawiesisz go w zlewce z wodą destylowaną. Po odczekaniu, aż układ przeprowadzi wymianę, przetestujesz zarówno wodę otaczającą woreczek, jak i zawartość samego woreczka pod kątem obecności wszystkich trzech substancji, używając specyficznego testu chemicznego dla każdej z nich. Porównując, które substancje pojawiają się na zewnątrz woreczka, a które nie, ustalisz granicę wielkości porów membrany bez konieczności mierzenia ich.

Cele edukacyjne

Zapoznanie się ze środowiskiem laboratoryjnym

• Określ układ i wyposażenie laboratorium osmozy Proteus, w tym worek do dializy, uniwersalny stojak i zacisk, płytę grzejną z łaźnią wodną oraz płytkę z dołkami służącą do przeprowadzania testów barwnych.

Stosowanie środków ochrony indywidualnej

• Przez cały czas nosić rękawiczki i okulary ochronne. Należy zwrócić szczególną uwagę na fakt, że azotan srebra pozostawia plamy na skórze i odzieży oraz że łaźnia wodna pracuje w temperaturze powyżej 70 °C.

Montaż i obsługa membrany do dializy

• Zamknąć, napełnić i zamontować worek do dializy bez rozlewania jego zawartości do otaczającej wody — zanieczyszczenie, które unieważniłoby każdy kolejny test.
• Wyjaśnij, dlaczego torba musi być zanurzona, ale nie do tego stopnia, aby jej otwór znajdował się poniżej linii wody.

Dokładne przenoszenie małych objętości

• Użyj pipety i 10-mililitrowego cylindra miarowego, aby połączyć trzy porcje po 3 mL, odrzucając nadmiar pomiędzy substancjami, aby nie doszło do przeniesienia zanieczyszczeń.

Wykonywanie trzech konkretnych testów chemicznych

• Przeprowadź próbę Lugola na obecność skrobi, próbę z azotanem srebra na obecność chlorków oraz próbę Fehlinga na obecność cukru redukującego, a przed ich wykonaniem opisz, jak wygląda wynik pozytywny i negatywny w każdym z tych przypadków.
• Zauważ, że próba Trommera (lub Fehlinga) wymaga ogrzewania powyżej 70 °C, a jej wynik odczytuje się na podstawie pojawienia się osadu, a nie samej zmiany barwy.

Rozróżnianie dyfuzji i osmozy

• Wykorzystaj wyniki, aby wyjaśnić, które substancje przeniknęły przez błonę i dlaczego, oddzielając ruch rozpuszczonych substancji od ruchu wody.

Wnioskowanie z pomiaru pośredniego

• Na podstawie tego, które cząsteczki przeszły przez błonę, a które nie, wywnioskuj jej właściwość — przybliżoną wielkość porów.

Protokół

Rozwiązania kontrolne (dodatnie)

NaCl i skrobia

1. Używając zakraplacza, umieść 5 do 10 kropli roztworu skrobi w studzience oznaczonej literą A.
2. Opróżnij nadmiar z pipety do pojemnika na odpady.
3. Za pomocą zakraplacza umieść 5 do 10 kropli roztworu chlorku sodu we wgłębieniu oznaczonym literą D.
4. Opróżnij nadmiar z pipety do pojemnika zbiorczego.
5. Za pomocą pipety dodać 5 do 10 kropli Lugola do studzienki oznaczonej jako A.
6. Opróżnij nadmiar z pipety do pojemnika zbiorczego.
7. Za pomocą zakraplacza dodaj 5 do 10 kropli azotanu srebra do studzienki oznaczonej literą D.
8. Opróżnij nadmiar z zakraplacza do pojemnika na odpady.
9. Dobrze wstrząśnij zlewkami A i D za pomocą bagietki szklanej.

Obserwacje reakcji kontrolnych znajdują się w tabeli wyników.

Glukoza

1. Napełnij 400 ml wody z kranu do zlewki o pojemności 500 ml.
2. Włóż pręt magnetyczny do zlewki.
3. Ustaw zlewkę na płycie grzewczej i ustaw temperaturę na 75°C. Poczekaj, aż temperatura zostanie osiągnięta.
4. Włącz silnik magnetyczny (przycisk po lewej).
5. Za pomocą pipety dodaj 10 ml roztworu glukozy do probówki oznaczonej literą G.
6. Używając pipety, dodaj 10 ml cieczy Fehlinga A do probówki oznaczonej G.
7. Za pomocą pipety dodaj 10 ml Fehling B do probówki oznaczonej literą G.
8. Wymieszaj zawartość probówki, potrząsając nią przez kilka sekund.
9. Załóż uniwersalny statyw na lewe ramię, nad przygotowanym w kroku 1 zlewce o pojemności 500 ml.
10. Przymocuj probówkę oznaczoną literą G do uniwersalnego zacisku nad środkiem zlewki.
11. Włóż termometr do probówki i poczekaj, aż temperatura w probówce osiągnie powyżej 70°C.
12. Odebranie probówki G i umieszczenie jej z powrotem na jej pierwotnym miejscu na statywie probówek.
13. Wymieszaj zawartość probówki, mieszając ją przez kilka sekund szklaną bagietką.
14. Gdy reakcja w probówce zakończy się (strącenie), obniż temperaturę płyty grzejnej do 15°C.
15. Wyłącz silnik magnetyczny.

Obserwacje reakcji kontrolnej znajdują się w tabeli wyników.

Przygotowanie woreczka osmotycznego i test roztworu początkowego

1. Wlej 300 ml ciepłej wody z kranu do zlewki o pojemności 600 ml.
2. Namoczyć woreczek dializacyjny w ciepłej wodzie, aby stał się bardziej elastyczny.
3. Załóż czarny korek na dno worka dializacyjnego, aby go zamknąć.
4. Do 10 ml cylindra miarowego, kolejno pipetą wlej 3 ml roztworu skrobi, 3 ml chlorku sodu i 3 ml roztworu glukozy. Pomiędzy każdą substancją, nadmiar wylej do pojemnika zbiorczego.
5. Połóż woreczek dializacyjny poziomo na blacie, szerokim otworem do góry. Wlej zawartość cylindra miarowego do tego otworu.
6. Postaw pustą zlewkę o pojemności 250 ml obok statywu uniwersalnego po prawej stronie.
7. Załóż uniwersalny zacisk na prawy uniwersalny stojak, nad środkiem zlewki.
8. Przymocuj woreczek dializacyjny do prawego uniwersalnego statywu za pomocą zacisku uniwersalnego i umieść cały zespół pionowo w zlewce o pojemności 250 ml. Uważaj, aby nie wylać zawartości woreczka dializacyjnego do zlewki.
9. Nalej około 200 ml wody destylowanej do zlewki o pojemności 250 ml, tak aby zawartość woreczka była zanurzona w wodzie. Woda nie może dotykać końca z otworem woreczka.
10. Używając zakraplacza, pobierz płyn z kolby, w której moczy się woreczek dializacyjny. Umieść 5 do 10 kropli roztworu w studzience B i 5 do 10 kropli roztworu w studzience E.
11. Opróżnij nadmiar z pipety do pojemnika na odpady.
12. Za pomocą zakraplacza dodaj 5 do 10 kropli roztworu Lugola do studzienki oznaczonej literą B.
13. Opróżnij nadmiar z pipety do pojemnika na odpady.
14. Za pomocą zakraplacza dodaj 5-10 kropli azotanu srebra do studzienki oznaczonej literą E.
15. Opróżnij nadmiar z pipety do pojemnika zbiorczego.
16. Dobrze wstrząśnij zlewkami B i E używając szklanej bagietki.
17. Ustaw płytę grzejną, na której zawsze znajduje się zlewka z wodą, na 75°C. Poczekaj, aż temperatura zostanie osiągnięta.
18. Włącz mieszadło magnetyczne (przycisk po lewej).
19. Używając pipety, przenieś 10 ml wody z zlewki, w której moczy się woreczek, do probówki opisanej jako H.
20. Przy użyciu pipety, dodaj 10 ml Fehling A do probówki oznaczonej literą H.
21. Pipetą dodaj 10 ml pożywki Fehlinga B do probówki oznaczonej H.
22. Wymieszaj zawartość probówki, potrząsając nią przez kilka sekund.
23. Przymocuj probówkę oznaczoną (H) do zacisku uniwersalnego nad środkiem zlewki.
24. Włóż termometr do probówki i poczekaj, aż w probówce zostanie osiągnięta temperatura powyżej 70°C.
25. Weź probówkę (H) i umieść ją z powrotem w jej pierwotnym miejscu na statywie.
26. Zmieszać zawartość probówki przez kilka sekund potrząsając nią szklanym pręcikiem.
27. Obniż temperaturę płyty grzewczej do 15°C.
28. Wyłącz mieszadło magnetyczne.
29. Poczekaj 24 h (użyj przycisku zegara, aby przyspieszyć czas)

Test ostatecznego rozwiązania

1. Za pomocą zakraplacza pobierz płyn z naczynia, w którym moczy się woreczek dializacyjny i wpuść 5 do 10 kropli roztworu do studzienki C oraz 5 do 10 kropli roztworu do studzienki F.
2. Opróżnij nadmiar z pipety do pojemnika na odpady.
3. Za pomocą zakraplacza dodaj 5 do 10 kropli Lugola do studzienki oznaczonej jako C.
4. Opróżnij nadmiar z pipety do pojemnika zbiorczego.
5. Używając zakraplacza, dodaj 5 do 10 kropli azotanu srebra do studzienki oznaczonej literą F.
6. Opróżnij nadmiar z pipety do pojemnika zbiorczego.
7. Dobrze wstrząśnij zlewkami C i F przy użyciu szklanej bagietki.
8. Ustaw płytę grzejną, na której zawsze znajduje się zlewka z wodą, na 75°C. Poczekaj, aż temperatura zostanie osiągnięta.
9. Włącz mieszadło magnetyczne (przycisk po lewej).
10. Za pomocą pipety pobierz 10 ml wody z zlewki, w której moczy się worek, i umieść ją w probówce oznaczonej numerem I.
11. Używając pipety, dodaj 10 ml odczynnika Fehlinga A do probówki oznaczonej I.
12. Za pomocą pipety dodać 10 ml Fehling B do probówki oznaczonej jako I.
13. Wymieszaj zawartość probówki, potrząsając nią przez kilka sekund.
14. Przymocuj probówkę oznaczoną (I) do zacisku uniwersalnego nad środkiem zlewki.
15. Włóż termometr do probówki i poczekaj, aż temperatura w probówce wzrośnie powyżej 70°C.
16. Wyjmij probówkę (I) i włóż ją z powrotem na jej pierwotne miejsce na stojaku na probówki.
17. Wymieszaj zawartość probówki, mieszając ją przez kilka sekund szklaną bagietką.
18. Obniż temperaturę płyty grzewczej do 15°C.
19. Wyłącz mieszadło magnetyczne.

Obserwacje znajdują się w tabeli wyników.

• Pozytywny wynik badania na obecność węglowodanów złożonych spowoduje pojawienie się niebiesko-czarnego zabarwienia (kompleks jodowo-skrobiowy) w studzience (test Lugola).
• Pozytywny wynik obecności NaCl skutkuje pojawieniem się białego osadu (AgCl) w dołku (reakcja z azotanem srebra).
• Wynik pozytywny w obecności prostych węglowodanów da ceglastoczerwony osad (Cu2O) w probówce (próba Fehlinga).

Przewidywane wyniki

Trzy substancje i ich rozmiary. Wynik eksperymentu zależy prawie w całości od wielkości cząsteczek, dlatego warto zestawić je obok siebie przed spojrzeniem na wyniki.

Oczekiwane rezultaty. Zarówno woda otaczająca woreczek, jak i zawartość woreczka są badane pod kątem obecności wszystkich trzech substancji.

Próba skrobiowa. Płyn Lugola zawiera jod wraz z jodem potasu, które łącząc się, tworzą trójjodek, I₂ + I⁻ → Ja₃⁻. To jon trójjodkowy, a nie sam jod lub jodek, odpowiada za barwę: wsuwa się on w helikalną zwój łańcucha amylozy, a powstały kompleks gospodarz–gość silnie pochłania światło w zakresie widzialnym, dając charakterystyczną barwę niebiesko-czarną. Sam jodek nie daje barwy ze skrobią, dlatego odczynnik musi zawierać oba te składniki.

Test chlorkowy. Jony srebra i jony chlorku łączą się, tworząc osad, który jest zasadniczo nierozpuszczalny w wodzie:

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

Ponieważ K_sp jest tak małe, że mętność pojawia się przy stężeniach chlorków znacznie poniżej tych, jakie oko mogłoby inaczej wykryć, co czyni to czułym testem na obecność substancji, która przeniknęła przez błonę w zaledwie skromnej ilości.

Test glukozy. Odczynnik Fehlinga dostarczany jest w postaci dwóch roztworów, które miesza się bezpośrednio przed użyciem. Odczynnik A to siarczan miedzi(II); odczynnik B to winian potasowo-sodowy w około 2,5 M wodorotlenku sodu. Ich zmieszanie daje ciemnoniebieski roztwór, w którym winian utrzymuje miedź(II) w roztworze jako rozpuszczalny kompleks — bez tego silnie alkalicznego winianu miedź po prostu wytrąciłaby się jako wodorotlenek miedzi(II) i odczynnik byłby bezużyteczny.

Glukoza jest cukrem redukującym: zawiera grupę aldehydową, która ulega utlenieniu podczas ogrzewania, a miedź(II) zostaje w zamian zredukowana do miedzi(I), co powoduje wypadnięcie z roztworu ceglastoczerwonego osadu tlenku miedzi(I):

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

Reakcja wymaga zarówno ogrzewania, jak i silnie alkalicznego środowiska, dlatego probówka jest umieszczana w łaźni wodnej o temperaturze powyżej 70 °C. Oczekiwany wygląd probówki G jest więc następujący ciemnoniebieski przed ogrzewaniem i ceglastoczerwony osad po ogrzaniu. Częstym błędnym odczytem jest oczekiwanie, że odcień niebieski pogłębi się; tak się nie stanie – niebieski kolor to zużywający się kompleks miedzi(II), a jego zanikanie pod czerwonym osadem stanowi wynik pozytywny.

Dyfuzja i dlaczego ustaje. Glukoza i jony poruszają się, ponieważ ich stężenia różnią się po obu stronach błony. Ruch netto trwa wzdłuż tego gradientu, aż stężenia się wyrównają, w którym to momencie przejścia w obu kierunkach się równoważą i układ znajduje się w stanie równowagi. Nic nie pompuje substancji rozpuszczonych; proces ten nie wymaga dopływu energii i nie może przemieścić substancji wbrew jej własnemu gradientowi.

Osmoza, co jest osobnym efektem. Woda również przechodzi przez membranę i przemieszcza się głównie w stronę, gdzie całkowite stężenie rozpuszczonych substancji jest wyższe. Na początku jest to wnętrze worka, więc woda wchodzi do środka, a worek staje się wyraźnie twardszy. Ciśnienie, które musiałoby zostać przyłożone, aby zatrzymać ten przepłyv, to ciśnienie osmotyczne, wyrażone dla roztworu rozcieńczonego za pomocą równania van’t Hoffa:

Π = i M R T gdzie i to liczba cząstek, jaką uwalnia każda jednostka wzorowa, M stężenie molowe, R = 8,314 J·mol⁻¹·K⁻¹ i T temperatura bezwzględna.

Chlorek sodu przyczynia się do tego ciśnienia w takim stopniu, który jest dwukrotnie większy niż ta sama molarność glukozy, ponieważ dysocjuje na dwa jony, podczas gdy glukoza pozostaje jako jedna cząsteczka. Skrobia nie wnosi prawie nic pomimo swojej masy, ponieważ ciśnienie osmotyczne liczy cząstki, a nie gramy – pojedyncza cząsteczka skrobia niosąca tysiące jednostek glukozy wywiera efekt osmotyczny jednej cząsteczki. Jest to najbardziej wyraźna ilustracja w laboratorium, że ciśnienie osmotyczne jest właściwością koligatywną.

Uwaga na temat nazwy tego laboratorium. Ściśle rzecz biorąc, ruch rozpuszczonych substancje przez błonę to dyfuzja lub dializa, gdy błona oddziela obie strony; osmoza odnosi się specyficznie do ruchu rozpuszczalnika. Tutaj zachodzą oba te zjawiska jednocześnie i od starszych uczniów można w pełni racjonalnie wymagać wskazania, która obserwacja dowodzi którego z nich.

Podsumowanie zadania według zakresu ocen

Klasy 9–10

• Skupienie: selektywna przepuszczalność jako właściwość obserwowalna oraz prawidłowy odczyt testu chemicznego.
• Aktywności: zmontować i zamontować worek do dializy; przeprowadzić trzy testy na obu próbach i zapisać każdy jako dodatni lub ujemny w tabeli; podać, która substancja nie opuściła worka; opisać prostymi słowami, dlaczego duża cząsteczka nie może przejść przez mały otwór; zauważyć, że na koniec worek wydaje się twardszy niż na początku.

Klasa 11

• Skupienie: dyfuzja zgodnie z gradientem stężeń oraz chemia każdego testu.
• Aktywności: powiązać wynik (zdany/niezdany) dla każdej substancji z jej masą molową; napisać równanie jonowe dla próby z azotanem srebra i wyjaśnić, dlaczego małe K_sp czyni to wrażliwym; wyjaśnij, dlaczego próba Fehlinga wymaga ogrzewania i zasady oraz dlaczego niebieski kolor zanika, zamiast stawać się głębszy; przewidź, co zaobserwowano by, gdyby woreczek napełniono wodą destylowaną i zawieszono w zmieszanym roztworze.

Klasa 12 / Poziom akademicki

• Skupienie: osmoza jako właściwość koligatywna oraz różnica między dializą a osmozą.
• Aktywności: Użyj wzoru $\Pi = iMRT$, aby porównać wkłady osmotyczne równych molarności chlorku sodu, glukozy i skrobi, i wyjaśnij, dlaczego skrobia wnosi niemal zerowy wkład pomimo swojej masy; zidentyfikuj, które obserwacje w doświadczeniu demonstrują dyfuzję substancji rozpuszczonej, a które ruch rozpuszczalnika; oszacuj górną granicę wielkości porów membrany na podstawie tożsamości największej cząsteczki, która przez nią przeszła; omów, co ogranicza czułość każdego z trzech testów i który z nich byłby najmniej wiarygodny w wykrywaniu małej ilości substancji, która przeniknęła.

Podstawowe wyposażenie laboratorium

Instrumenty

• Zlewiki (250 mL, 500 mL i 600 mL)
• Worka dializacyjna
• Czarna nasadka (do zamknięcia worka)
• Uniwersalny stojak
• Uniwersalny zacisk
• Płytka ze studzienkami
• Probówki i stojak na probówki
• Kroplomierze
• Pipeta
• Cylindryczny cylinder miarowy (10 ml)
• Szklany pręt
• Płyta grzejna z łaźnią wodną
• Mieszadło magnetyczne
• Termometr
• Rękawice i okulary ochronne

Produkty

• Roztwór skrobi
• Roztwór chlorku sodu
• Roztwór glukozy
• Roztwór Lugola 2 %
• Roztwór azotanu srebra
• Roztwór Fehlinga A (siarczan miedzi(II))
• Roztwór Fehling B (winian sodowo-potasowy w około 2,5 M NaOH)
• Woda destylowana