Явление полупроницаемости

XIX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Личный портфель

Явление полупроницаемости

Дудченко М.И. 1Кудинова А.И. 1
1МБОУ «СОШ №11» ИГОСК
Газимагомедова К.А. 1Ольховская Е.В. 1
1МБОУ «СОШ №11» ИГОСК
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Диплом школьникаСвидетельство руководителяСвидетельство руководителя
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

Данная работа посвящена явлению осмоса. Суть этого явления будет подробно раскрыта в основной части работы. Пока лишь хочется отметить, что многие, не зная о существовании этого процесса, не могут в полной мере понять функционирование разнообразных живых систем, которой является и наш организм в том числе. Осмос – явление на стыке трех наук – химии, физики и биологии, и поэтому наилучшим образом показывает взаимосвязь всех законов природы.

Целью данной работы является изучение факторов, влияющих на процесс осмоса.

Задачи:

  • изучение и систематизация теоретического материала об осмосе, осмотическом давлении, аспектах физиологии растений, связанных с явлением осмоса;

  • проведение эксперимента с целью определения зависимости между осмотическим давлением и концентрацией раствора;

  • проведение эксперимента с целью демонстрации обмена веществ клетки с окружающей средой посредством осмоса.

Гипотеза: Осмос зависит от количества растворенных частиц в воде.

Актуальность исследования

На данный момент тема полупроницаемых мембран активно изучается. Пишутся статьи, публикуются книги. Однако стоит отметить, что конца данным исследованиям не видно в то время, как, большая часть людей не знает о базовых понятиях, например, об осмосе, вокруг которого и строилось исследование. Эксперименты, проведенные в данной работе, позволяют увидеть физичность функционирования такого сложного биологической объекта как мембрана.

Значимость и новизна исследования

Новизна данного исследования заключается в том, что функционирование мембраны рассматривается одновременно с физической, химической и биологической сторон, что дает более полную картину явления.

Двусторонняя и односторонняя диффузия в растворах. Осмос.

В жизненной практике мы чаще имеем дело с двусторонней диффузией, которая заключается в перемешивании двух или более веществ из-за хаотического теплового движения молекул каждого компонента смеси. Пример двусторонней диффузии – окрашивание воды спиртовым раствором йода. Если мы капнем немного раствора в сосуд с водой, то жидкость окрашивается не сразу, сначала у нас есть интенсивно окрашенный небольшой участок, но потом интенсивность цвета уменьшается, а окраска раствора становится равномерной. Это происходит из-за перераспределения молекул йода равномерно по всему объему, то есть диффузии. Двусторонней она называется, так как в процессе участвуют молекулы обоих веществ смеси, если мы говорим о двух фазах.

Если мы создадим преграду для молекул одной из компонент раствора, то диффузия будет происходить за счет молекул одного вида и называется односторонней. Такой преградой может служить полупроницаемая мембрана, разделяющая сосуд на две части. Через эту мембрану могут проходить только молекулы определенных веществ, что объясняется специфичными свойствами данной перегородки, о которых речь пойдет позже.

Хотя явление диффузии является физическим процессом, но по сути оно близко к принципу Ле Шателье, который гласит о том, что если на систему оказывать воздействие, изменяя одно из условий равновесия, то в системе усиливаются процессы, направленные на восстановление равновесия. В нашем случае процесс – диффузия, нарушенное условие равновесия – концентрации веществ в разных объемах смеси.

Осмосом называется односторонняя диффузия в растворах, разделенных полупроницаемой мембраной. Допустим, у нас есть сосуд, разделенный на две части мембраной, которая не пропускает через себя молекулы сахарозы, но пропускает молекулы воды. В одну часть сосуда нальем воду, а в другую – концентрированный раствор сахарозы. Так как система стремится уравнять концентрации веществ во всем своем объеме, то необходимо перераспределить молекулы воды, с молекулами сахарозы ничего сделать нельзя, так как они не проходят через мембрану. Логично, что молекулы воды будут в большинстве своем пытаться уйти в концентрированный раствор для снижения его концентрации.

Обратный осмос. Осмотическое давление.

Мы подошли к важному вопросу. Может ли вся вода из одной части сосуда перейти в другую, если на систему не оказывается внешнего воздействия? Конечно, нет. Ведь число молекул в части сосуда с раствором сахарозы будет постепенно расти, то есть будет расти и объем жидкости. В другой части сосуда оно наоборот будет уменьшаться. Так как появляется разница высот столбов жидкости, то возникает гидростатическое давление. Оно противодействует давлению, которое создает поток молекул, переходящих в более концентрированный раствор. Через некоторое время после начала эксперимента уровни жидкости перестанут изменяться, то есть наступит равновесие, когда гидростатическое давление будет полностью компенсировать давление потока молекул. Давление столба жидкости, когда система находится в состоянии динамического равновесия, называется осмотическим давлением.

Мы рассмотрели ситуацию, когда на систему не оказывается внешнего воздействия. Но если приложить достаточную силу, то можно вытеснить большую часть молекул воды из какой-то части сосуда, гидростатическое давление будет легко преодолено внешними силами. Если мы будем оказывать давление на столб концентрированного раствора, то молекулы воды будут идти в противоестественном направлении. Разность концентраций будет расти. Данный процесс называется обратным осмосом.

В первом случае обратный осмос также имеет место быть. Часть молекул перемещается из более концентрированной среды в менее концентрированную, но число таких частиц меньше числа молекул, идущих в противоположном направлении. Прямой и обратный осмос всегда существуют вместе.

Применение осмоса в медицине и технике. Механизм осмоса в природе.

Во второй половине XIX века с развитием биохимии начинается изучение осмоса. В 1854 году Томас Грэхэм опубликовал свою работу «Осмотическая сила», в которой описал способ получения полупроницаемых мембран. Важное практическое применение ему нашлось уже в начале следующего столетия. Осмос стали пробовать использовать для очистки крови – гемодиализа. Изначально возможность очистки крови данным способом проверялась на лабораторных животных, в 20-х годах начались попытки применить новый метод на человеке, но не все попытки были удачными. Первый удачный опыт проведения гемодиализа произошел в 1945 году, когда пациента удалось вывести из состояния уремической комы. Сам процесс диализа крови довольно сложен, в нем много тонкостей, поэтому не будем погружаться в эту тему глубоко, но заметим, что в основе очистки лежит осмотический процесс, в котором участвуют кровь пациента и диализирующий раствор. Из крови удается вывести вещества, имеющие разные молекулярные массы - от натрия, калия и мочевины до белков.

Осмос нашел себе применение и в технических установках. Как правило, он используется, когда необходимо очистить какие-либо растворы от низко- и среднемолекулярных соединений. В связи с довольно большим практическим значением, постоянно создаются новые и совершенствуются старые виды полупроницаемых мембран. Например, посмотрим на так называемую трековую мембрану. Она интересна способом своего создания. Полимерную мембрану бомбардируют ионами криптона, частицы пробивают ее насквозь, оставляя маленькие каналы, треки. Трековые мембраны нашли себе крайне широкое применение из-за своих свойств. Они устойчивы к низким температурам, не гигроскопичны, устойчивы при воздействии на них большинства кислот, органических растворителей и разбавленных растворов щелочей. Стоит отметить, что трековые мембраны не радиоактивны, несмотря на способ их получения, так как ионы криптона обладают в этом процессе недостаточной энергией для протекания ядерных реакций.

Практическая часть

Практическая работа №1: «Демонстрация явлений прямого и обратного осмоса».

Покажем, что интенсивность процесса прямого осмоса зависит от разности концентраций растворов.

Оборудование и материалы: штатив, большой сосуд цилиндрической формы, сосуд в виде колпака, расширенного к низу с отверстием для трубки сверху, стеклянная трубка, подставка, органический целлофан, сахар, вода, краситель (чернила штемпельные).

  1. Соберем установку, показанную на рисунке 1 (Приложение 1), где 1 - куполообразный сосуд, 2 – полупроницаемая мембрана(в данном случае органический целлофан), 3 – место прикрепления мембраны к сосуду, 4 – раствор сахара, 5 – пробка, 6 – стеклянная трубка, 7 – метка, показывающая начальную высоту столба жидкости в трубке, 8 – штатив, 9 – большой сосуд цилиндрической формы, заполненный водой, 10 – подставка для большого сосуда. Нальем в обтянутый целлофаном сосуд раствор сахара некоторой концентрации. Отметим первоначальный уровень жидкости в трубках.

  2. Оставим установку на некоторое время.

  3. Отметим новый уровень и сравним со старым.

Концентрация раствора, %

Начальная высота столба жидкости в трубке, см

Конечная высота столба жидкости в трубке, см

Изменение уровня жидкости, см

10

6,25

1,45

-4,8

20

6

4,8

-1,2

40

2,8

8,8

+6.0

55

1,95

14,4

+12.45

Д

Таблица 1

анный опыт был проделан с раствором сахара четырех различных концентраций: 10%, 20%, 40%, 55%. Полученные данные были зафиксированы и занесены в таблицу 1. Собранная система показана на рисунке 2 (Приложение 1).

Как уже говорилось ранее, процессы прямого и обратного осмоса существуют вместе и одновременно. Говорить об обратном осмосе можно, когда молекулы движутся под действием какого-либо внешнего давления. Таким является гидростатическое давление столба жидкости. В первых двух опытах уровень жидкости понизился, так как преобладал процесс обратного осмоса – поток молекул, создаваемый гидростатическим давлением, пересиливал поток, возникающий из-за разницы концентраций растворов. Последний не так силен из-за сравнительно низкой концентрации раствора. Третий и четвертый опыты показывают обратную картину – теперь прямой осмос идет интенсивнее. А так как первоначальный столб жидкости стал ниже, то обратный осмос, наоборот, потерял силу. По этим двум причинам уровень жидкости повышался.

Из данного эксперимента можно сделать вывод, что прямой и обратный осмос всегда существуют вместе. Прямой зависит от разницы концентраций рассматриваемых растворов, а обратный – от высоты столба жидкости в данном случае.

Практическая работа №2: «Клеточка Траубе».

Грубой моделью растительной клетки является так называемая «клеточка» Траубе, на примере которой можно получить основные представления об осмотических свойствах растительной клетки.

Целью данной практической работы является рассмотреть растительную клетку как осмотическую систему. Выяснить роль диффузии и осмоса в поступлении воды в клетку на примере «клеточки» Траубе.

В пробирку наливают 4-5 мл раствора медного купороса. Затем опускают в него 2-3 кристалла K4[Fe(CN)6]. На поверхности кристалликов быстро образуются полупроницаемые пленочки. Реакция идет по уравнению:

K4 [Fe(CN)6] + 2 CuSO4 = Cu2 [Fe(CN)6] + 2K2SO4.

Перепонка проницаема для воды, но непроницаема для солей. Концентрация K4[Fe(CN)6] внутри оболочки очень высока, концентрация же раствора медного купороса снаружи ниже, чем концентрация K4[Fe(CN)6] внутри, иными словами раствор медного купороса является гипотоническим по отношению к раствору желтой кровяной соли, поэтому вода поступает внутрь перепонки. Образуется мешочек, называемый клеточкой Траубе. Объем клеточки может увеличиваться, пока мембрана не лопнет. На месте разрыва медный купорос взаимодействует с K4[Fe(CN)6] и снова образует полупроницаемую перепонку. Процесс образования клеточек будет проходить до тех пор, пока концентрации K4[Fe(CN)6] и CuSO4 внутри и снаружи клетки не сравняются, то есть растворы не станут изотоническими. На рисунке 3 (Приложение 1) представлен результат проведенного эксперимента. На фотографии хорошо просматривается желтоватый пузырек, который и является «клеточкой» Траубе. Стоит отметить, что результат эксперимента во многом зависит от соотношения взаимодействующих веществ. Например, в данном случае были взяты раствор концентрацией 1% медного купороса, но сравнительно много желтой кровяной соли. Были опробованы также и другие соотношения. Один из опытов дал результат, показанный на рисунке 4 (Приложение 1). Здесь картина очень сильно отличается от предыдущего эксперимента, концентрация медного купороса была увеличена до 10%, а соли наоборот было взято меньше. Но все же просматриваются «клеточки» в образовавшихся выростах.

Выводы

На основании результатов данного исследования можно сделать следующие выводы:

  • Проявление физического явления осмос можно наблюдать на опытах с растениями используя механическую модель.

  • Доказали, что интенсивность процесса прямого осмоса зависит от разности концентраций растворов.

  • Убедились, что процессы прямого и обратного осмоса существуют вместе и одновременно.

  • Установили, что Прямой зависит от разницы концентраций рассматриваемых растворов, а обратный – от высоты столба жидкости в данном случае.

В ходе данного исследования

  • Провели опыт, демонстрирующий явления прямого и обратного осмоса.

  • Исследовали растительную клетку как осмотическую систему. «Клеточка Траубе».

В результате исследования подтвердили: осмос имеет большое значение для растительных клеток; осмос мембраны клетки- основа жизнедеятельности растений, нарушение клеточных мембран ведет к гибели растений.

Итогом исследования является установление зависимости процессов, протекающих в сосудах, разделенной полупроницаемой мембраной, от концентраций растворов, помещенных в сосуды. Также была продемонстрирована простейшая модель растительной клетки на примере опыта «клеточка» Траубе. Дальнейшие исследования данных явлений могут способствовать дальнейшим открытиям в области медицины, фармацевтики, промышленности и биофизики.

Список использованной литературы

  1. А.К. Кикоин, И.К. Кикоин , Молекулярная физика, издание второе, переработанное, издательство «Наука» главная редакция физико-математической литературы, Москва, 1976. Стр.366 – стр. 368.

  2. Н.Л. Глинка, Общая химия: Учебное пособие для вузов. – 22-е изд., испр./Под ред. Рабиновича В.А. – Л. Химия, 1982. – 720 с., ил. Стр. 205, стр. 213, стр. 227 – стр. 228.

  3. Энциклопедический словарь юного химика/Сост. Э 68 В.А. Крицман, В.В. Станцо. – 2-е изд.,испр. – М.: Педагогика, 1990. – 320 с.: ил.

  4. Козырева Н.А., Куликов М.Н., Изучение явления осмоса на уроке физики в средней школе/ Потенциал, №7, 2005 г., с. 34.

  5. Воскресенская О.Л., Грошева Н.П., Скочилова Е.А. Физиология растений: Учебное пособие./ Мар. гос. ун-т. – Йошкар-Ола, 2008. – 148 с.: ил.

  6. https://wwtec.ru/index.php?id=233

Приложение 1

Рисунок 1

Рисунок 2

Просмотров работы: 98