004 – Osmosis

Fiecare celulă vie este închisă de o membrană care permite anumitor substanțe să treacă și le reține pe altele. Această selectivitate este cea care permite unei celule să-și păstreze proteinele și zaharurile, schimbând în același timp apă, săruri și nutrienți cu mediul său înconjurător. Același principiu este utilizat industrial în purificarea apei și, cel mai bine cunoscut, în dializa renală, unde un aparat efectuează filtrarea pe care un rinichi care nu mai funcționează nu o mai poate face.

O membrană de acest fel este descrisă ca fiind semipermeabileste perforată de pori de o anumită dimensiune, iar dacă o substanță dizolvată poate să treacă depinde în principal de cât de mari sunt moleculele sale. Moleculele mici și ionii trec cu ușurință și se răspândesc prin difuzie, mișcându-se din locurile unde sunt concentrați în cele unde sunt diluați până când sunt distribuiți în mod egal. Moleculele mari sunt pur și simplu prea mari pentru a încăpea și rămân acolo unde sunt. Apa însăși trece liber în ambele direcții, iar mișcarea sa netă către latura mai concentrată este ceea ce se numește în mod propriu osmoză.

În acest laborator veți umple o pungă de dializă cu un amestec de trei substanțe de dimensiuni moleculare foarte diferite — amidon, clorură de sodiu și glucoză — și o veți suspenda într-un pahar de laborator cu apă distilată. După ce sistemul a fost lăsat să facă schimburi, veți testa atât apa din jurul pungii, cât și conținutul pungii în sine pentru toate cele trei substanțe, utilizând un test chimic specific pentru fiecare. Comparând ce substanțe apar în afara pungii și care nu, veți stabili limita de mărime a membranei fără a măsura vreodată un por.

Obiective educaționale

Familiarizarea cu mediul de laborator

• Identificați configurația și echipamentul laboratorului de osmoză Proteus, inclusiv punga de dializă, suportul universal și clema, placa de încălzire cu baia de apă aferentă, precum și placa cu godeuri utilizată pentru testele colorimetrice.

Utilizarea echipamentului de protecție

• Purtați mănuși și ochelari de protecție pe tot parcursul operațiunii. Rețineți în special că azotatul de argint pătează pielea și îmbrăcămintea și că baia de apă funcționează la temperaturi de peste 70 °C.

Asamblarea și manipularea unei membrane de dializă

• Închide, umple și montează o pungă de dializă fără a-i vărsa conținutul în apa din jur — o contaminare care ar invalida fiecare test subsecvent.
• Explicați de ce geanta trebuie scufundată, dar nu imersată până la punctul în care deschiderea sa se află sub linia apei.

Transferul precis de volume mici

• Folosiți o pipetă și un cilindru gradat de 10 mL pentru a combina trei porțiuni de câte 3 mL, aruncând surplusul între substanțe pentru a nu exista nicio contaminare încrucișată.

Efectuarea a trei teste chimice specifice

• Efectuați testul Lugol pentru amidon, testul cu azotat de argint pentru clorură și testul Fehling pentru un zucăr reducător și precizați cum arată un rezultat pozitiv și unul negativ în fiecare caz înainte de a-l efectua.
• Recunoașteți că testul Fehling necesită încălzire la peste 70 °C și că rezultatul său se citește din apariția unui precipitat, nu doar dintr-o modificare a culorii.

Diferența dintre difuzie și osmoză

• Folosiți rezultatele pentru a explica ce substanțe au trecut prin membrană și de ce, separând mișcarea solviților dizolvați de mișcarea apei.

Raționament pe baza unei măsurători indirecte

• Deduceți o proprietate a membranei — dimensiunea sa aproximativă a porilor — din identitatea moleculelor care au trecut și a celor care nu au trecut prin ea.

Protocol

Soluțiile de control (pozitive)

NaCl și amidon

1. Folosind pipeta, introduceți 5 până la 10 picături de soluție de amidon în cavitatea marcată cu A.
2. Goliți surplusul din pipetă în recipientul de recuperare.
3. Folosind picurătorul, puneți 5 până la 10 picături de soluție de clorură de sodiu în godeul etichetat D.
4. Goliți excesul din picurător în recipientul de recuperare.
5. Folosind picurătorul, adăugați 5 până la 10 picături de Lugol în fântâna etichetată A.
6. Goliți excesul din picurător în recipientul de recuperare.
7. Folosind pipeta, adăugați 5 până la 10 picături de nitrat de argint în godeul marcat cu D.
8. Goliți surplusul din picurător în recipientul de recuperare.
9. Agitați bine paharele A și D folosind bagheta de sticlă.

Observațiile reacțiilor de control se găsesc în tabelul de rezultate.

Glucoză

1. Umpleți un pahar Berzelius de 500 mL cu 400 mL de apă de la robinet.
2. Introduceți tija magnetică în pahar.
3. Puneți paharul pe plita electrică și setați la 75°C. Așteptați până la atingerea temperaturii.
4. Pornește motorul magnetic (butonul din stânga).
5. Folosind pipeta, puneți 10 mL de soluție de glucoză în eprubeta etichetată G.
6. Folosind pipeta, adăugați 10 mL de Fehling A în eprubeta marcată G.
7. Cu ajutorul pipetei, adăugați 10 mL de Fehling B în eprubeta etichetată G.
8. Amestecați conținutul eprubetei agitând-o timp de câteva secunde.
9. Pune o clemă universală pe suportul stâng, deasupra becherului de 500 mL pregătit la pasul 1.
10. Atașați eprubeta etichetată G la clema universală deasupra centrului paharului.
11. Introduceți termometrul în eprubetă și așteptați ca temperatura să ajungă peste 70°C în eprubetă.
12. Pune eprubeta G înapoi în poziția sa originală pe suportul de eprubete.
13. Amestecați conținutul eprubetei agitând-o timp de câteva secunde cu bagheta de sticlă.
14. După finalizarea reacției din eprubetă (precipitare), coborâți temperatura plăcii de încălzire la 15°C.
15. Oprește motorul magnetic.

Observațiile reacției de control se găsesc în tabelul cu rezultate.

Pregătirea sacului de osmoză și testarea soluției inițiale

1. Puneți 300 ml de apă caldă de la robinet în vasul Berzelius de 600 ml.
2. Înmuiați punga de dializă în apă caldă pentru a o face mai flexibilă.
3. Pune o capsă neagră în partea de jos a pungii de dializă pentru a o închide.
4. În cilindrul gradat de 10 mL, deversați succesiv, cu ajutorul pipetei, 3 mL de soluție de amidon, 3 mL de clorură de sodiu și 3 mL de soluție de glucoză. Între fiecare substanță, goliți surplusul în recipientul de colectare.
5. Așezați punga de dializă orizontal pe blat, cu deschiderea laturii largi în sus. Turnați conținutul cilindrului gradat în această deschidere.
6. Așezați eprubeta goală de 250 mL lângă suportul universal din dreapta.
7. Așezați o clemă universală pe suportul universal din dreapta, deasupra centrului paharului.
8. Atașați punga de dializă de suportul universal din dreapta, folosind clema universală și așezați ansamblul vertical în paharul Berzelius de 250 mL. Aveți grijă să nu vărsați conținutul pungii de dializă în pahar.
9. Turnați aproximativ 200 mL de apă distilată în eprubeta de 250 mL, astfel încât conținutul săgetii să fie imersat în apă. Apa nu trebuie să atingă capătul unde se află deschiderea săgeții.
10. Folosind pipeta, luați lichidul din baloane în care este înmuiat sacul de dializă. Puneți 5 până la 10 picături de soluție în godeul B și 5 până la 10 picături de soluție în godeul E.
11. Goliți surplusul din pipetă în recipientul de recuperare.
12. Folosind pipeta, adăugați 5 până la 10 picături de soluție Lugol în godeul etichetat B.
13. Goliți surplusul din pipetă în recipientul de recuperare.
14. Folosind pipeta, adăugați 5 până la 10 picături de nitrat de argint în puțul etichetat E.
15. Goliți excesul din picurător în recipientul de recuperare.
16. Agitați bine paharele B și E folosind bagheta de sticlă.
17. Așezați plita, pe care se află întotdeauna eprubeta cu apă, la 75°C. Așteptați să se atingă temperatura.
18. Porniți agitatorul magnetic (butonul din stânga).
19. Folosind pipeta, pune 10 mL în eprubeta etichetată H din apa din paharul în care se înmoaie punga.
20. Folosind pipeta, adăugați 10 mL de Fehling A în eprubeta etichetată H.
21. Cu ajutorul pipetei, adăugați 10 mL de Fehling B în eprubeta marcată cu H.
22. Amestecați conținutul eprubetei agitând-o timp de câteva secunde.
23. Fixați eprubeta etichetată (H) de clema universală deasupra centrului paharului Berzelius.
24. Introduceți termometrul în eprubetă și așteptați până când se atinge o temperatură de peste 70°C în eprubetă.
25. Ia eprubeta (H) și așază-o la loc în poziția inițială pe stativul de eprubete.
26. Amestecați conținutul eprubetei agitând-o câteva secunde cu bagheta de sticlă.
27. Reduceți temperatura plăcii de încălzire la 15°C.
28. Oprește agitatorul magnetic.
29. Așteaptă 24 de ore (folosește butonul ceasului pentru a avansa timpul)

Testarea soluției finale

1. Folosind pipeta, luați lichidul din vasul de laborator în care este scufundat sacul de dializă și puneți 5 până la 10 picături de soluție în godeul C și 5 până la 10 picături de soluție în godeul F.
2. Goliți surplusul din pipetă în recipientul de recuperare.
3. Folosind pipeta, adăugați 5 până la 10 picături de Lugol în godeul etichetat C.
4. Goliți excesul din picurător în recipientul de recuperare.
5. Folosind pipeta, adăugați 5 până la 10 picături de nitrat de argint în godeul etichetat F.
6. Goliți excesul din picurător în recipientul de recuperare.
7. Agitați bine paharele C și F folosind bagheta de sticlă.
8. Așezați plita, pe care se află întotdeauna eprubeta cu apă, la 75°C. Așteptați să se atingă temperatura.
9. Porniți agitatorul magnetic (butonul din stânga).
10. Folosind pipeta, introduceți 10 mL în eprubeta etichetată I din apa din paharul în care stă pliculețul.
11. Cu ajutorul pipetei, adăugați 10 mL de Fehling A în eprubeta etichetată I.
12. Folosind pipeta, adăugați 10 ml de Fehling B în eprubeta etichetată I.
13. Amestecați conținutul eprubetei agitând-o timp de câteva secunde.
14. Fixați eprubeta etichetată (I) pe clema universală deasupra centrului vasului Berzelius.
15. Introduceți termometrul în eprubetă și așteptați până când temperatura din eprubetă ajunge peste 70°C.
16. Ia eprubeta (I) și pune-o înapoi în locația sa originală pe stativul de eprubete.
17. Amestecați conținutul eprubetei agitând-o timp de câteva secunde cu bagheta de sticlă.
18. Reduceți temperatura plăcii de încălzire la 15°C.
19. Oprește agitatorul magnetic.

Observațiile se găsesc în tabelul de rezultate.

• Un rezultat pozitiv pentru prezența carbohidraților complexi va determina o colorație albastru-neagră (complex iod-amidon) în godeu (testul lui Lugol).
• Un rezultat pozitiv pentru prezența NaCl va genera un precipitat alb (AgCl) în godeu (reacția cu azotat de argint).
• Un rezultat pozitiv pentru prezența carbohidraților simpli va rezulta într-o precipitație de culoare roșu-cărămiziu (Cu2O) în eprubetă (reacția Fehling).

Rezultate anticipate

Cele trei substanțe și dimensiunile lor. Rezultatul experimentului este decis aproape în întregime de dimensiunea moleculară, așa că merită să le așezăm pe cele trei una lângă alta înainte de a privi rezultatele.

Rezultate așteptate. Atât apa din jurului pungii, cât și conținutul acesteia sunt testate pentru toate cele trei substanțe.

Testul amidonului. Soluția Lugol conține iod împreună cu iodură de potasiu, care se combină pentru a da triiodură, I₂ + I⁻ → I₃⁻. Ionul de triiodură, nu iodul sau iodura singure, este cel care produce culoarea: acesta se fixează în spirala elicoidală a lanțului de amiloză, iar complexul gazdă-oaspete rezultat absoarbe puternic în regiunea vizibilă, dând nuanța caracteristică de albastru-negru. Iodura în sine nu dă nicio culoare cu amidonul, motiv pentru care reactivul trebuie să le conțină pe amândouă.

Testul clorurilor. Ionii de argint și ionii de clorură se combină pentru a da un precipitat care este în esență insolubil în apă:

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

Deoarece K_sp este atât de mică, încât apare o opacitate la concentrații de clorură mult mai mici decât cele pe care ochiul le-ar putea detecta în mod normal, ceea ce face ca acest test să fie sensibil la o substanță care a traversat membrana într-o cantitate modestă.

Testul de glicemie. Reactivul Fehling este furnizat sub formă de două soluții care sunt amestecate imediat înainte de utilizare. Fehling A este sulfat de cupru(II); Fehling B este tartrat de sodiu și potasiu în hidroxid de sodiu aproximativ 2,5 M. Amestecarea lor dă o soluție de culoare albastru închis în care tartratul menține cuprul(II) în soluție sub formă de complex solubil — fără acel tartrat puternic alcalin, cuprul s-ar precipita pur și simplu sub formă de hidroxid de cupru(II), iar reactivul ar fi inutil.

Glucoza este un zahăr reducător: conține o grupare aldehidică care se oxidează la încălzire, iar cuprul (II) este redus la cupru (I), care se separă din soluție sub formă de precipitat de culoare roșu-cărămiziu de oxid de cupru (I):

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

Reacția necesită atât căldură, cât și un mediu puternic alcalin, motiv pentru care eprubetă este încălzită la o temperatură de peste 70 °C în baia de apă. Aspectul preconizat al eprubetei G este, prin urmare, albastru intens înainte de încălzire și un precipitat de culoare roșu-cărămiziu după încălzire. O interpretare greșită frecventă este aceea de a se aștepta ca albastrul să se intensifice; acest lucru nu se întâmplă — albastrul reprezintă complexul de cupru(II) care se consumă, iar dispariția acestuia sub precipitatul roșu constituie rezultatul pozitiv.

Difuzia și motivele pentru care aceasta încetează. Glucoza și ionii se deplasează deoarece concentrațiile lor diferă de o parte și de alta a membranei. Mișcarea netă continuă în direcția acestui gradient până când concentrațiile se egalizează; în acel moment, fluxurile în ambele direcții se echilibrează, iar sistemul ajunge la echilibru. Niciun mecanism nu pompează substanțele dizolvate; procesul nu necesită aport de energie și nu poate deplasa o substanță împotriva propriului gradient.

Osmoza, care este un fenomen distinct. Apa traversează, de asemenea, membrana și se deplasează în mod preferențial către partea unde concentrația totală de substanțe dizolvate este mai mare. La început, aceasta este în interiorul pungii, astfel încât apa pătrunde și punga devine vizibil mai fermă. Presiunea care ar trebui aplicată pentru a opri acest flux este presiunea osmotică, dată pentru o soluție diluată de relația lui van 't Hoff:

Π = i M R T unde i este numărul de particule eliberate de fiecare unitate de formulă, M molaritatea, R = 8,314 J·mol⁻¹·K⁻¹ și T temperatura absolută.

Clorura de sodiu contribuie de două ori mai mult la această presiune decât glucoza cu aceeași molaritate, deoarece se disociază în doi ioni, în timp ce glucoza rămâne o singură moleculă. Amidonul nu contribuie aproape deloc, în ciuda masei sale, deoarece presiunea osmotică ia în calcul particulele, nu gramele — o singură moleculă de amidon care conține mii de unități de glucoză exercită efectul osmotic al unei singure particule. Aceasta este cea mai clară ilustrare din laborator a faptului că presiunea osmotică este o proprietate coligativă.

O precizare privind denumirea acestui laborator. Strict vorbind, mișcarea substanțelor dizolvate prin membrană este difuziune sau dializă atunci când o membrană separă cele două părți; osmoza se referă în mod specific la mișcarea solventului. Ambele se produc aici simultan, iar unei clase de final de ciclu i se poate cere în mod rezonabil să identifice ce observație demonstrează ce.

Rezumatul temei pe intervale de note

Clasele a IX-a și a X-a

• Concentrare: permeabilitatea selectivă ca proprietate observabilă și interpretarea corectă a rezultatelor unui test chimic.
• Activități: asamblați și montați punga de dializă; efectuați cele trei teste pe ambele probe și înregistrați rezultatul fiecăruia ca pozitiv sau negativ într-un tabel; precizați care substanță nu a ieșit din pungă; descrieți în termeni simpli de ce o moleculă mare nu poate trece printr-o deschizătură mică; observați că punga pare mai fermă la final decât la început.

Clasa a XI-a

• Concentrare: difuzia de-a lungul unui gradient de concentrație și reacțiile chimice specifice fiecărui test.
• Activități: corelați rezultatul (admis sau respins) pentru fiecare substanță cu masa sa molară; scrieți ecuația ionică pentru testul cu azotat de argint și explicați de ce o valoare mică a lui K_sp îl face sensibil; explicați de ce testul Fehling necesită căldură și substanțe alcaline și de ce culoarea albastră dispare în loc să se intensifice; preziceți ce s-ar observa dacă punga ar fi fost umplută cu apă distilată și suspendată în soluția amestecată.

Clasa a XII-a / Nivel universitar

• Concentrare: osmoza ca proprietate coligativă și distincția dintre dializă și osmoză.
• Activități: utilizați Π = iMRT pentru a compara contribuțiile osmotice ale unor molarități egale de clorură de sodiu, glucoză și amidon și explicați de ce amidonul nu contribuie aproape deloc, în ciuda masei sale; identificați care observații din experiment demonstrează difuzia solutului și care demonstrează mișcarea solventului; estimați o limită superioară a dimensiunii porilor membranei pe baza identității celei mai mari molecule care a traversat-o; discutați ce limitează sensibilitatea fiecăruia dintre cele trei teste și care dintre cele trei ar fi cel mai puțin fiabil în detectarea unei cantități mici care a traversat membrana.

Esențiale de laborator

Instrumente

• Pahare de laborator (250 ml, 500 ml și 600 ml)
• Pungă pentru dializă
• Capac negru (pentru închiderea pungii)
• Suport universal
• Clemă universală
• Placă cu godeuri
• Eprubete și suport pentru eprubete
• Picurători
• Pipetă
• Cilindru gradat (10 mL)
• Baghetă de sticlă
• Placă de încălzire cu baie de apă
• Magnet de agitare
• Termometru
• Mănuși și protecție pentru ochi

Produse

• Soluție de amidon
• Soluție de clorură de sodiu
• Soluție de glucoză
• Soluție de Lugol 2 %
• Soluție de nitrat de argint
• Soluție Fehling A (sulfat de cupru(II))
• Soluție Fehling B (tartrat de sodiu și potasiu în NaOH aproximativ 2,5 M)
• Apă distilată