Научно-практическая конференция 'За страницами учебника'

Тема: Наблюдение осмоса.

Цель работы: изучить явление осмоса, смоделировать его и подтвердить на опытах гипотезу, что жизнь без осмоса невозможна, так как питательные вещества поступают в организм благодаря осмотическому давлению.

Почему срезанная ветка при погружении ее в воду оживает? Какие силы заставляют влагу проникать в растение и двигаться внутри него? Что удерживает воду в клетках и не даёт ей выходить наружу?

Каким образом клетка растения оказывается проницаемой для воды только в одном направлении: снаружи - внутрь? Оказывается учёные очень давно пытались ответить на эти вопросы, но определённой ясности удалось добиться только в конце Х1Х века.

Прошло ещё некоторое время, и в лабораториях сумели смоделировать это таинственное природное явление. И это явление называется осмосом.

Осмос - (от греч. "толчок", "давление"), процесс диффузии растворителя из менее концентрированного раствора в более концентрированный раствор. Явления осмоса наблюдаются в тех средах, где подвижность растворителя больше подвижности растворенных веществ.

Впервые явление осмоса наблюдал в 1748 году французский физик-экспериментатор Жан- Антуан Ноле. Он занимался изучением кипения жидкостей и столкнулся с неизвестным до тех пор явлением. В одном из своих опытов он герметично закрыл стакан со спиртом плёнкой бычьего пузыря и погрузил его на дно большого сосуда с водой. Через несколько часов пузырь сильно раздулся - вода проникла в стакан и увеличила давление в нём. Нолле не прошёл мимо этого удивительного факта и объяснил его следующим образом: "Животный пузырь может быть более проницаем для воды, чем для спирта; в таком случае скорость прохождения воды окажется больше скорости прохождения спирта".

В солёной воде, кроме молекул воды, находятся еще соли. Поэтому молекул воды в стакане с пресной водой больше, чем в стакане с солёной - часть объема в солёной воде занимает соль.

Если мы поставим между пресной и солёной водой полупроницаемую мембрану (искусственную или сделанную из морковки - всё равно), то молекулы воды будут ударяться в неё чаще со стороны пресной воды, поскольку там их больше, ведь молекул солей там нет, и всё место занимают молекулы пресной воды. Давление со стороны пресной воды возрастёт, и молекулы воды начнут переходить из пресной воды в солёную. Получается осмос.

Когда два раствора с разной концентрацией растворенных веществ разделены полупроницаемой мембраной, на нее действует сила, направленная от более разбавленного к более концентрированному раствору. Эта сила и называется осмотическим давлением.

Оказывается , биологические мембраны обеспечивают направленный перенос необходимых организму веществ из внешней среды в клетку, и наоборот. Без мембран невозможны были бы дыхание, кроветворение, синтез белка, усвоение пищи, удаление отходов и другие процессы.

Учёные давно стремились познать и обратить на пользу человека замечательное свойство полупроницаемых мембран - пропускать одни вещества и задерживать другие. Однако идея применения мембран для технологических целей стала реальной лишь в последнее время в связи с развитием наших знаний о природе и структуре веществ, с новыми достижениями в различных областях науки, а также в производстве синтетических полимерных материалов.

Существует два вида осмоса: прямой и обратный . Прямой осмос - это проникновение воды через полупроницаемую мембрану в раствор. В случае, когда на раствор с большей концентрацией воздействует внешнее давление, превышающее осмотическое, молекулы растворителя начнут двигаться через полупроницаемую мембрану в обратном направлении, то есть из более концентрированного раствора в менее. Этот процесс называется "обратным осмосом". По этому принципу и работают все мембраны обратного осмоса. В процессе обратного осмоса растворитель и растворённые в нём вещества разделяются на молекулярном уровне, при этом с одной стороны мембраны накапливается практически идеально чистый растворитель, а все загрязнения остаются по другую её сторону. Таким образом, обратный осмос обеспечивает гораздо более высокую степень очистки. На практике, мембрана не полностью задерживает растворённые в растворителе вещества. Они проникают через мембрану, но в ничтожно малых количествах.

Но в природе есть и другие разновидности этого процесса.
Осмос, направленный внутрь органического объема жидкости называется эндосмосом, осмос, направленный наружу - экзосмосом.
Аномальный осмос - движение растворителя через полупроницаемую мембрану, причем это движение не соответствует размеру или перепаду осмотического давления. Раствор с большим осмотическим давлением перемещается в раствор с меньшим давлением.
Электроосмос - процесс осмоса, происходящий при наложении внешнего электрического поля.

Термоосмос - прохождение жидкости через малое отверстие или пористую перегородку, термическая эффузия.

Явление осмоса играет огромную роль в процессах жизнедеятельности.

- Животные и растительные клетки в составе своей оболочки имеют полупроницаемые мембраны и представляют собой по существу миниатюрные осмотические системы.

- Действием осмотического давления объясняется также набухание семян растений, явление «пробивания» растущими побегами земли и препятствий, лежащих на земле.

- В организме человека осмос также играет очень важную роль. Клетка крови окружена мембраной, которая проницаема лишь для молекул воды, кислорода, растворенных в крови питательных веществ и продуктов жизнедеятельности; для больших белковых молекул она непроницаема.

- Осмос широко используют в лабораторной технике и промышленности:, например для очистки воды от примесей.

- Осмос также играет большую роль в экологии водоёмов. Если концентрация соли и других веществ в воде поднимется или упадёт, то обитатели этих вод погибнут из-за пагубного воздействия осмоса.

Экспериментальное исследование

Как выпитый глоток воды попадает в клетки нашего организма?

Отгадка, как и большинство научных открытий, будет базироваться на теории и научном эксперименте. Эксперимент ставится на кухне и включает в себя три опыта.

Все опыты посвящаются одному явлению природы - осмосу.

Нами была проведена практическая работа, целью которой было определение закономерностей изменения осмотического давления.

Опыт первый, или плачущий лимон .

Взяли лимон и порезали его на тонкие дольки. Если нож острый, то сока при этом почти не получится. Но посыплем лимонные дольки сахаром- и понаблюдаем: спустя некоторое время из долек, как по волшебству, потечет сок.

Конечно, это никакое не волшебство. Просто тут начал действовать осмос: сок потек из лимона наружу, как бы стремясь как можно сильнее разбавить образовавшийся на его поверхности концентрированный раствор сахара.

А если мама когда-нибудь солила капусту (и мы, конечно, при этом присутствовали!), то должны были заметить следующий факт: после того как нашинкованную капусту перетрут с солью, ее объем резко уменьшается, а сама капуста становится влажной. Мама говорит: капуста пустила сок. А мы теперь можем сказать: это осмос. Ведь неважно, какое растворимое в воде вещество находится снаружи клетки - сахар или соль.

Опыт второй, или своенравная картошка .

Мы вырезали из сырой картошки три одинаковых кубика и каждый из них опустили в сосуд с водой, но только в одном сосуде воду слегка подсолили, в другом растворили как можно больше соли, а в третий - ничего не добавляли.

Спустя час-два заметили, что кубики стали различаться: первый из них (тот, что был в слабо соленой воде) остался прежнего размера,

второй (он находился в сильно соленой воде) съежился и стал значительно меньше, а третий, наоборот, разбух.

Стало понятно, что и тут сработал осмос. Первый кубик находился в слабом соляном растворе - его концентрация была примерно равна концентрации солей в картофельном соке. Второй кубик окружал раствор большей концентрации, чем концентрация солей в его собственном соке, и в результате осмоса кубик начал обезвоживаться и уменьшаться в размерах. Ну, а кубик, оставленный в водопроводной воде? С ним произошла обратная история: концентрация солей в его соке была выше, чем в воде, и вода начала переходить в кубик. Вот он и "вырос"!

Опыт 3: наблюдение осмоса в растворах сахара, соли и медного купороса.

1. Соберём установку, как показано на рисунке;

2. Налили в трубку раствор сахара так, чтобы его уровень совпал с уровнем воды в стакане;

3. Начнём отсчёт времени

4. Определим с помощью линейки разность уровней жидкости в стакане и трубке через 10, 20, 30 минут;

5. Аналогичные измерения проведём с раствором поваренной соли и медного купороса;

6. Результаты зафиксировали в таблице.

Раствор

Время, мин

Изменение уровня в трубке, мм

Раствор сахара

10

3

20

7

30

9

Раствор поваренной соли

10

5

20

10

30

15

Раствор медного купороса

10

3

20

6

30

9

Вывод: Опытным путём установили, что процесс диффузии через полупроницаемую мембрану (морковь) происходит из менее концентрированного раствора в более концентрированный раствор.