XXVII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Практический метод определения осмотического давления
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Мой интерес к этой теме начался не с теории в учебнике, а с реального вызова.
Готовясь к экспериментальному туру олимпиады по физике, я встретила задание: «Найдите осмотическое давление предоставленного вам картофеля». Это показалось почти невозможным и стало «входной точкой» в мир «живой» физики.
Слово «осмос» греческого происхождения и означает толчок, давление. Уникальные свойства живых организмов, которые позволяют их клеткам избирательно поглощать и переносить различные вещества, стали предметом исследования многих ученых. Им удалось создать синтетические пленки – так называемые мембраны, непроницаемые для одних веществ и «прозрачные» для других. После этого такие «совершенные фильтры» стали завоевывать самые разные области науки и техники. Какими методами можно определить осмотическое давление растворителя, проходящего через полупроницаемую мембрану?
Цель работы: изучение явления осмоса.
Согласно цели работы были сформулированы следующие задачи:
1. Изучить особенности явлений прямого и обратного осмоса.
2. Рассмотреть практическое применения осмоса.
3. Описать способ определения осмотического давления и экспериментально определить его в клетках картофеля.
Объект исследования: явление осмоса.
Предмет исследования: способы определения осмотического давления.
Гипотеза исследования: осмотическое давление находится в прямой зависимости от концентрации растворенного вещества. При подборе равноконцентрированного раствора путем постепенного изменения концентрации возможно установить значение осмотического давления в тканях картофеля.
-
Комплексное исследование осмотических процессов
-
Особенности осмоса
-
Осмос представляет собой перенос вещества (растворителя) через мембрану с избирательной проницаемостью. Эта мембрана разделяет раствор и растворитель или два раствора с различной концентрацией. Впервые явление осмоса было зафиксировано Жаном-Антуаном Нолле в середине XVIII века [1], но глубокое изучение началось значительно позже.
В
Рис.1 Механизм прямого осмоса
основе осмоса лежит стремление системы к достижению термодинамического равновесия [2], при котором концентрации растворов с обеих сторон мембраны выравниваются благодаря однонаправленной диффузии молекул растворителя. Особый случай – осмос через полупроницаемую мембрану, пропускающую лишь определенные вещества, в частности, растворитель. Если такая мембрана разделяет раствор и чистый растворитель, концентрация растворителя в растворе будет ниже, поскольку часть его молекул замещается молекулами растворенного вещества (рис. 1).
В результате этого, движение молекул растворителя из отсека с чистым растворителем в раствор происходит чаще, чем в обратном направлении. Это приводит к увеличению объема раствора и снижению его концентрации, в то время как объем растворителя уменьшается. Растворы, в которых достигнуто равновесие, называются изотоническими. Осмос, направленный внутрь ограниченного объема жидкости, носит название эндосмоса, а наружу – экзосмоса. Перенос растворителя через мембрану обусловлен осмотическим давлением, которое равно избыточному внешнему давлению, необходимому для остановки процесса и достижения осмотического равновесия. Превышение этого давления может привести к обратному осмосу – обратной диффузии растворителя. Когда мембрана проницаема не только для растворителя, но и для некоторых растворенных веществ, их перенос из раствора в растворитель позволяет осуществлять диализ, метод очистки полимеров и коллоидных систем от низкомолекулярных примесей, например, электролитов.
Раствор, обладающий более высоким осмотическим давлением по сравнению с другим, называется гипертоническим, а раствор с более низким давлением – гипотоническим. Осмотическое давление может достигать значительных величин. Например, у деревьев именно осмотическое давление обеспечивает подъем растительного сока по ксилеме от корней к вершине, поскольку капиллярные явления не могут обеспечить достаточный подъем на такую высоту.
Величина осмотического давления, создаваемая раствором, зависит от количества, а не от химической природы растворенных в нём веществ. Чем больше концентрация вещества в растворе, тем больше создаваемое им осмотическое давление.
Закон Вант-Гоффа: осмотическое давление раствора равно газовому давлению, которое производило бы растворенное вещество, находясь в газообразном состоянии и занимая объем, равный объему раствора.
,
где Росм – осмотическое давление, Па;
с – молярная концентрация растворенного вещества, моль/л;
R – универсальная газовая постоянная, 8,31 Дж/(моль×К);
Т – абсолютная температура, К;
i – изотонический коэффициент Вант-Гоффа, представляющий собой отношение осмотического давления раствора электролита к осмотическому давлению раствора не электролита той же молярной концентрации.
Осмотическое давление, обусловленное содержанием белков в растворе, называют онкотическим. Оно составляет около 0,03 - 0,04 атм. Нормальное осмотическое давление организма поддерживается на уровне примерно 7,7 атм, обеспечивая водно-электролитный баланс тканей. Нарушение концентрации белков вызывает изменения давления, приводящие к отекам или дегидратации клеток. Для коррекции состояния используют специальные растворы: изотонические поддерживают нормальное давление, гипертонические применяют локально для очищения тканей или устранения отечности.
Оболочка живых клеток - всегда полупроницаемая мембрана. Она задерживает молекулы многих веществ, растворенных в воде, но воду пропускает. Поэтому каждая животная и растительная клетка - это микроскопическая осмотическая система, а осмотическое давление играет очень важную роль в жизнедеятельности организмов.
1.2 Обратный осмос
Т ехнология очистки воды, известная как обратный осмос, вошла в употребление в начале шестидесятых годов прошлого столетия. Изначально её целью было преобразование морской воды в пресную. В наши дни, благодаря обратному осмосу, ежедневно производятся огромные объёмы питьевой воды, исчисляемые сотнями тысяч тонн.
П
Рис. 2 Механизм обратного осмоса
ри воздействии внешнего давления, превышающего осмотическое, на раствор с высокой концентрацией, молекулы воды начинают перемещаться сквозь полупроницаемую мембрану в направлении, противоположном естественному – от раствора с большей концентрацией к раствору с меньшей концентрацией. Это явление схематически представлено на рисунке 2.
-
Экспериментальное исследование осмоса
-
Зависимость осмотического давления от концентрации
-
Опыт 1. Острым ножом отрежем тонкий ломтик лимона и положим его на блюдце. Сока на поверхности почти нет. Посыпаем дольку сахарным песком. Через короткий промежуток времени лимон пустит сок (рис. 3).
Вывод: на поверхности лимона образуется концентрированный раствор сахара и сок, гораздо менее концентрированный, стремится разбавить этот раствор. Он проникает сквозь клеточные мембраны и выходит наружу. Аналогичные процессы происходят при засолки капусты.
|
Рис. 3 Ломтик лимона в начале опыта |
Ломтик лимона в конце опыта |
Опыт 2. Отрежем от моркови ботву и в верхнюю часть поместим стеклянную трубку. Морковь поставим в стакан с водой в вертикальном положении. В стеклянную трубку нальем до половины раствор соли. Вскоре уровень воды в трубке начнет подниматься. Морковь как бы перекачивает воду из стакана, заставляет ее двигаться вверх (рис. 4).
Вывод: в морковном соке концентрация солей выше, чем в воде, и благодаря осмосу она поднимается в трубке.
|
Рис. 4 Экспериментальная установка |
Результат опыта через 1 час |
Опыт 3. Вырежем из картофелины три кубика, одинакового размера (2х2х2см). Приготовим три стаканчика. В первый нальем подсоленную воду, во второй - концентрированный раствор соли, а в третий – чистую воду. В каждый стаканчик опустим по картофельному кубику. Через 1 час внимательно рассмотрим кубики. У того, который находился в подсоленной воде, никаких изменений не обнаружено. Тот кубик, который лежал в концентрированном растворе соли, намного уменьшился, а тот, который опустили в воду, стал, напротив, заметно больше (рис. 5).
Вывод: первый кубик был в разбавленном растворе, и концентрация соли оказалась примерно той же, что и в самом картофельном соке. Кубик, который находился в концентрированном растворе, стал отдавать воду, снижая концентрацию этого раствора; вода из картофеля уходила, и кубик съежился. Кубик, который был в чистой воде, стал поглощать воду и увеличился в размерах.
|
Рис. 5 Картофель в начале опыта |
Картофель через 1 час |
Гипотеза подтвердилась. Осмотическое давление зависит от концентрации растворенного вещества.
Таким образом, при приготовлении супов воду надо солить сразу, чтобы из мяса и овощей вышло как можно больше сока. Но если надо приготовить отварное мясо, то следует его варить сначала в несоленой воде, чтобы сок не вышел. В растворах с высокой концентрацией солей происходит сморщивание клеток из-за потери воды. Это явление используется, например, при консервировании пищевых продуктов путём добавления больших количеств соли или сахара. Микроорганизмы при этом становятся не жизнедеятельными.
2.2 Определение осмотического давления в тканях картофеля
Определим величину осмотического давления в клетках картофеля по закону Вант-Гоффа, воспользовавшись формулой (1). Основная трудность в данном случае будет заключаться в определении молярной концентрации (с) растворенного вещества в тканях картофеля. Молярной концентрацией раствора называется отношение числа молей растворённого вещества к объёму раствора, выраженному в литрах. Основываясь на результатах опыта 3, при погружении полосок картофеля в раствор с повышенной концентрацией, его ткани теряют воду и длина полосок картофеля уменьшается. Если же внешний раствор обладает пониженной концентрацией, то клетки поглощают воду из раствора, их объём увеличивается и, соответственно, длина ткани увеличивается. Если же длина полосок почти не меняется, значит, концентрация растворенного вещества в картофеле и концентрация раствора одинаковы. Зная температуру раствора, значения постоянных величин можно рассчитать величину осмотического давления в тканях картофеля. Универсальная газовая постоянная имеет значение 8.31 Дж/(К∙моль). Значения коэффициента i для растворов NaCl (25◦С) различных молярных концентраций указаны в таблице [2]:
|
с (моль/л) |
1 |
0,8 |
0,7 |
0,6 |
0,5 |
0,4 |
0,3 |
0,2 |
0,1 |
0,01 |
|
i |
1,62 |
1,64 |
1,66 |
1,68 |
1,7 |
1,73 |
1,75 |
1,78 |
1,83 |
1,91 |
Оборудование: бруски картофеля размером – 50×4×5 мм (10 шт), стаканы с водой (10 шт), поваренная соль (NaCl), электронные весы, термометр, линейка. Молярная концентрация раствора соли в воде определяется по формуле: . M(NaCl)=23+35,5=58,5 (г/моль), V=150мл. Предположим, что с - молярная концентрация растворенного вещества лежит в диапазоне от 0,01 до 0,45 моль/л.
Рис. 6 Изготовление растворов с заданной молярной концентрацией
Внесем полученные данные в таблицу:
|
№ раствора |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
|
с (моль/л) |
0,01 |
0,05 |
0,10 |
0,15 |
0,20 |
0,25 |
0,30 |
0,35 |
0,40 |
0,45 |
|
m (г) NaCl |
0,09 |
0,44 |
0,88 |
1,32 |
1,76 |
2,19 |
2,63 |
3,07 |
3,51 |
3,95 |
Температура в процессе исследования - 25оС. Тщательно измеряем длину каждой полоски линейкой с точностью до 1 мм и помещаем по одной в приготовленные растворы. Полоски должны быть полностью погружены в раствор. Все операции делам достаточно быстро, не допуская подвядания полосок. Через 40 минут извлекаем полоски и тщательно измеряем их длину. В ходе эксперимента будем рассчитывать относительное удлинение ломтиков картофеля, т.к. оно показывает долю изменения длины картофеля.
Рис. 7 Полоски картофеля после извлечения из концентрированных растворов
Результаты первой серии эксперимента представлены в таблице.
|
№ раствора |
с (моль/л) |
L0(до), мм |
L1(после), мм |
Δ L=L1-L0, мм |
ε= Δ L/L0 |
|
1 |
0,01 |
50 |
59 |
9 |
0,18 |
|
2 |
0,05 |
50 |
58 |
8 |
0,16 |
|
3 |
0,10 |
50 |
55 |
5 |
0,10 |
|
4 |
0,15 |
50 |
53 |
3 |
0,06 |
|
5 |
0,20 |
50 |
52 |
2 |
0,04 |
|
6 |
0,25 |
50 |
51 |
1 |
0,02 |
|
7 |
0,30 |
50 |
48 |
-2 |
-0,04 |
|
8 |
0,35 |
50 |
46 |
-4 |
-0,08 |
|
9 |
0,40 |
50 |
46 |
-4 |
-0,08 |
|
10 |
0,45 |
50 |
45 |
-5 |
-0,10 |
Заметим, что при концентрациях раствора от 0,20 до 0,30 моль/л относительное удлинение имеет наименьшее значение. Дополнительно исследуем этот диапазон. Поэтому приготовим новые растворы, концентрации которых будут лежать в этом диапазоне и проведём вторую серию измерений.
|
№ раствора |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
|
с (моль/л) |
0,19 |
0,21 |
0,23 |
0,25 |
0,27 |
0,29 |
0,31 |
|
m (г) NaCl |
1,67 |
1,84 |
2,02 |
2,19 |
2,37 |
2,54 |
2,72 |
Результаты второй серии эксперимента представлены в таблице.
|
№ раствора |
с (моль/л) |
L0(до), мм |
L1(после), мм |
Δ L=L1-L0, мм |
ε= Δ L/L0 |
|
1 |
0,19 |
50 |
54 |
4 |
0,08 |
|
2 |
0,21 |
50 |
53 |
3 |
0,06 |
|
3 |
0,23 |
50 |
52 |
2 |
0,04 |
|
4 |
0,25 |
50 |
52 |
2 |
0,04 |
|
5 |
0,27 |
50 |
49 |
-1 |
-0,02 |
|
6 |
0,29 |
50 |
48 |
-2 |
-0,04 |
|
7 |
0,31 |
50 |
47 |
-3 |
-0,06 |
Построим график зависимости изменения длины полоски от молярной концентрации раствора.
с, моль/л
ε
Рис. 8 График зависимости изменения относительного удлинения полоски картофеля
от молярной концентрации раствора
Относительное удлинение равно 0 в растворе с молярной концентрацией примерно равной 0,26 моль/л. Зная молярную концентрацию (с) можно найти осмотическое давление картофеля:
Заключение
В ходе исследования осмоса, систематизировав теоретический материал, было установлено:
-
Осмос имеет большое значение для растительных и животных организмов, способствуя достаточному обводнению клеток и межклеточных структур.
-
Осмотическое давление зависит от концентрации растворённого вещества.
-
Оно (осмотическое давление) обеспечивает тургор клеток, т.е. их упругость. Наличие воды необходимо для нормального течения различных процессов.
-
Процесс обратного осмоса применяется в системах фильтрации в домашних условиях.
В экспериментальной части исследования в процессе выполнения опытов, подтверждена выдвинутая гипотеза о прямой зависимости осмотического давления от концентрации растворенного вещества. Представлен подробный отчет определения осмотического давления в тканях картофеля путем подбора раствора поваренной соли известной концентрации, равной концентрации клеточного сока в тканях картофеля. Цель исследования достигнута.
Список литературы
-
Дытнерский Ю.И. Обратный осмос и ультрафильтрация // https://www.studmed.ru/dytnerskiy-yui-obratnyy-osmos-i-ultrafiltraciya_6dd2b6c9944.html
-
Козырева Н.А., Куликов М.Н. Изучение осмоса на уроках физики в средней школе https://edu-potential.ru/images/catalog/physics/Osmos-Koz-Kulik1.pdf
-
Коновалов Д. П. Исследование осмоса // https://megalektsii.ru/s14607t9.html
-
Коновалов Д. П. Осмос.-Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона, 1890—1907.В 86 томах (82 т. и 4 доп.).
-
Романов Д. Об осмосе простым языком https://filtromir.ru/blog/ob-osmose---prostym-yazykom?ysclid=mi0gmqo3z4116774076