ISSLEDOVATELSKAYA RABOTA OSMOSx

Капранов Михаил Михайлович, 9 класс
МБОУ «Москаленская СОШ»
Марьяновского МР Омской области
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ОСМОСА.
Введение.
«Для того чтобы понять жизнь растения…
необходимо прежде ознакомиться с его формой;
для того чтобы понять действие машины,
нужно знать ее устройство».
К.А.Тимирязев.
Физиология растений - наука о функциональной активности растительных организмов. Как
отмечали
Ж.Б.Буссенго
и
К.А.Тимирязев,
знание
основных
закономерностей
жизнедеятельности растений делает физиологию растений теоретической основой
рационального земледелия. [1]
Лабильная структура биологических мембран позволяет выполнять им различные функции:
барьерные, транспортные, осмотические и некоторые другие.
Многообразна роль осмотической работы, выполняемой биомембранами. Например, клетки
пресноводных простейших и некоторых водорослей (эвгленовые, вольвоксовые), чтобы не быть
разорванными, вынуждены постоянно сопротивляться пассивному осмотическому
поступлению воды в клетки путем выведения избытка воды сократительными вакуолями. Для
всех остальных растений осмотическое поступление воды не приводит к разрыву клеток, так
как гидростатическому (тургорному) давлению противостоит противодавление эластически
растянутых клеточных стенок. Более того, интенсивный напор воды становится важнейшим
фактором существования растений. Тургор позволяет поддерживать форму неодревесневшим
частям и является той силой, которая обеспечивает рост растяжением растительных клеток.
Наконец, регулируя концентрацию осмотически активных веществ, растительные клетки
всасывают воду из окружающей среды, даже если содержание воды в среде низкое. В понятие
осмотической работы биомембран входит также мембранный транспорт растворенных веществ.
Поглощение воды из внешней среды – обязательное условие существования любого живого
организма. Вода может поступать в клетки растений благодаря набуханию биоколлоидов,
увеличению степени их гидратации. Такое поступление воды характерно для сухих семян,
помещенных в воду. Однако главным способом поступления воды в живые клетки является ее
осмотическое поглощение.
Осмосом называется прохождение растворителя в раствор, отделенный от него
полупроницаемой мембраной (т.е. пропускающей растворитель, но не молекулы растворенных
веществ). Рис.1
Природу осмоса стали изучать прежде всего биологи. Первый осмометр был сконструирован
в 1826 г. французским физиологом Г.Дютроше. Принцип этого осмометра заключался в
следующем. Пузырь из полупроницаемой пленки (пергамент, животный пузырь) с помещенной
в него стеклянной трубочкой заполнялся раствором сахара или другого органического
вещества. После погружения пузыря в чистую воду наблюдался подъем уровня жидкости в
трубке. Однако применявшиеся Дютроше пленки не были абсолютно полупроницаемыми и
медленно проникавший сахар мешал количественному измерению осмотического давления.
Более совершенная конструкция осмометра была предложена В.Пфеффером. Свой осмометр
он назвал «искусственной клеткой». Основой ее служил пористый фарфоровый сосуд. Во
внутреннюю полость сосуда наливался раствор желтой кровяной соли К4[Fe (CN)6], и сосуд
помещался в раствор CuSO4. При взаимодействии этих веществ в порах фарфорового сосуда
образовывалась гелеобразная масса железистосинеродистой меди Cu2 [Fe (CN)6], служившая
полупроницаемой мембраной. Таким образом одновременно достигались достаточная
прочность и полупроницаемость сосуда.
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 дает ей
выходить наружу? Ученые давно пытались ответить на эти вопросы. Пришло время и в
лабораториях сумели смоделировать это таинственное природное явление, при котором
наблюдается одностороннее проникновение растворителя через полупроницаемую мембрану,
отделяющую раствор от чистого растворителя, называется осмосом. Без осмоса невозможно
утолить жажду ни человеку, ни растению! Что значит хотеть пить? Это значит, что клеткам
нашего организма не хватает воды. Осмос имеет большое значение для растительных и
животных организмов, способствуя достаточному обводнению клеток и межклеточных
структур.
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» начали завоевывать
самые разные области науки и техники. С их помощью очищают газы и нефтепродукты,
опресняют морскую воду, обрабатывают молоко и фруктовые соки, производят лекарства и
витамины. [2] Интерес исследователей к данной теме продиктован ее актуальностью.
Цель: изучить явление осмоса.
Задачи:
1) изучить литературу по данной теме;
2) смоделировать осмос и подтвердить на опытах, что жизнь без осмоса невозможна, так
как питательные вещества поступают в организм благодаря осмотическому давлению;
3) экспериментальным путем установить зависит ли осмотическое давление от
концентрации.
Гипотеза: осмотическое давление находится в прямой зависимости от концентрации
растворенного вещества.
Методы: 1)описательный; 2)метод наблюдения; 3)экспериментальный метод.
Чем пресная вода отличается от соленой?
В соленой воде, кроме молекул воды, находятся еще соли. Поэтому молекул воды в стакане с
пресной водой больше, чем в стакане с соленой – часть объема в соленой воде занимает соль.
Посмотрим через микроскоп на пылинку в капле пресной воды и мы увидим, что она не стоит
на месте – ее двигают молекулы воды, которые находятся в постоянном движении.
Если мы поставим между пресной и соленой водой полупроницаемую мембрану
(искусственную или сделанную из морковки – все равно), то молекулы воды будут ударяться в
нее чаще со стороны пресной воды, поскольку там их больше, ведь молекул солей там нет, и все
место занимают молекулы пресной воды.
Давление со стороны пресной воды возрастет, и молекулы воды начнут переходить из пресной
воды в соленую. Получается осмос.
Осмос – односторонняя диффузия растворителя через полупроницаемую перегородку
(мембрану), обусловленная стремлением системы к термодинамическому равновесию и
выравниванию концентрации растворов по обе стороны мембраны. Осмос характеризуется
осмотическим давлением. Это мы можем увидеть на примере…
В 1748 году французский физик – экспериментатор Ж. А. Нолле, занимаясь изучением кипения
жидкостей, столкнулся с неизвестным до тех пор явлением. В одном из своих опытов он
герметично закрыл стакан со спиртом пленкой 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 нем. Нолле не прошел 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». [4]
Вспомним, что происходит при растворении какого-нибудь вещества в растворителе.
Молекулы вещества проникают в растворитель, а молекулы растворителя – в область, занятую
раствором. Такая взаимная диффузия (проникновение) и приводит к выравниванию
концентраций растворенного вещества и растворителя по всему объему. Если раствор и чистый
растворитель разделены полупроницаемой перегородкой – она пропускает молекулы
растворителя, но не пропускает молекулы растворенного вещества. В этом случае
выравнивание концентраций происходит только за счет односторонней диффузии растворителя.
Молекулы растворителя будут перемещаться через мембрану из менее концентрированного
раствора в более концентрированный, вызывая в последнем повышение уровня жидкости.
Можно сказать, что растворитель проникает в раствор под действием сил так называемого
осмотического давления. Как только гидростатическое давление столба уравновесит
осмотическое давление, процесс прекратится.
Процессы разделения жидких систем играют важную роль во многих отраслях народного
хозяйства. Для осуществления этих процессов уже давно применяют разнообразные способы:
перегонку, ректификацию, абсорбцию, адсорбцию и др. Однако природа за миллионы лет
эволюции живых организмов выработала наиболее универсальный и совершенный метод
разделения с использованием полупроницаемых мембран. 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.
Многие годы ученые стремились познать и обратить на пользу человека замечательное
свойство полупроницаемых мембран – пропускать одни вещества и задерживать другие. Идея
применения мембран для технологических целей обрела реальность только 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. Эта
идея также подтверждает актуальность данной работы.
Что произойдет, если надавить на соленую воду так, чтобы она под давлением,
превышающем осмотическое, двигалась в сторону пресной воды? Тогда получится «обратный
осмос», и из соленой воды через мембрану будет выжиматься пресная.
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
концентрированный. Этот процесс называется «обратным осмосом». По этому принципу
работают все мембраны обратного осмоса. В процессе обратного осмоса растворитель и
растворенные в нем вещества разделяются на молекулярном уровне, при этом с одной стороны
мембраны накапливается практически идеально чистый растворитель, а все загрязнения
остаются по другую ее сторону. В итоге, обратный осмос обеспечивает гораздо более высокую
степень очистки. На практике, мембрана не полностью задерживает растворенные в
растворителе вещества. Они проникают через мембрану, но в ничтожно малых количествах.
Поэтому очищенный растворитель все-таки содержит незначительное количество растворенных
веществ. Важно, что повышение давления на входе не приводит к росту содержания солей в
растворителе после мембраны. Напротив, большее давление растворителя не только
увеличивает производительность мембраны, но и улучшает качество очистки. Чем выше
давление растворителя на мембране, тем больше чистого растворителя лучшего качества можно
получить.[4]
Осмос в природе.
У клетки оболочка обладает свойствами полупроницаемой мембраны. Если поместить клетки
в дистиллированную воду, происходит набухание, затем разрыв оболочек. Например,
эритроциты окрасят воду в красный цвет. В растворах с высокой концентрацией солей
происходит сморщивание клеток из-за потери воды. Это явление используется при
консервировании пищевых продуктов путем добавления больших количеств соли или сахара.
Микроорганизмы при этом становятся нежизнеспособными. Осмотическое давление крови,
лимфы и тканевых жидкостей человека равно 7,7 атм. при 37 градусах. У лягушек осмотическое
давление меньше, а у морских животных больше.
В тканях растений осмотическое давление составляет 5-20 атм., а у растений в пустынях
доходит до 170 атм. Для роста и развития растительных организмов имеет большое значение
соотношение между осмотическими давлениями почвенного раствора и клеточного сока.
Растение может нормально развиваться лишь тогда, когда осмотическое давление клеточного
сока больше осмотического давления почвенного раствора.
Осмотическое давление – главная сила, обеспечивающая движение воды в растениях и ее
подъем от корней до вершины. Клетки листьев, теряя воду, осмотически всасывают ее из
клеток стебля, а последние из клеток корня, берущих воду из почвы.[2]
Высокоорганизованные животные и человек отличаются постоянным осмотическим
давлением крови. Нарушение его губительно. Понижение осмотического давления при
введении больших количеств воды или в результате потери солей вызывает рвоту, судороги и
т.п. вплоть до гибели. Повышение осмотического давления введением больших количеств
солей приводит к перераспределению воды. Она скапливается в тех тканях, где откладывается
избыток солей, возникают отеки.
С явлением осмоса мы часто сталкиваемся под водой. Если нырнуть в речную воду и открыть
глаза, то под веками быстро возникает чувство рези. Внутри глазных клеток концентрация
растворенных веществ значительно выше, чем в пресной воде, и вода начинает проникать
внутрь клеток, болезненно растягивая их. Когда мы открываем глаза в соленой морской воде, то
таких болевых ощущений нет, поскольку концентрации соли в морской воде и клетках ткани
довольно близки.
Грустное зрелище чахлых растений, поникших листьев, засыхающих деревьев в немалой
степени обязано своим происхождением отсутствию осмотического давления внутри клеток
погибающих растений. Если по каким – либо причинам молекулярный насос клеточных
оболочек перестает перекачивать воду внутрь клеток, чтобы поддержать осмотическое
давление жидкости на достаточном уровне, то клетки уменьшаются в размерах и гибнут.[3] Все
вышесказанное, бесспорно, подтверждает актуальность данной работы.
Экспериментальное исследование.
Если два раствора разной концентрации разделить перегородкой, пропускающей молекулы
воды, но задерживающей молекулы растворенного в ней вещества, то молекулы воды будут
переходить в более концентрированный раствор, все больше и больше разбавляя его. Это осмос.
Чтобы подтвердить или опровергнуть гипотезу, выдвинутую в ходе работы, я проделал три
опыта. Опыты проводились в декабре 2011 года, в домашних условиях.
Опыт №1 «Плачущий лимон».
1.Взял лимон и порезал его на тонкие дольки. Если взять острый нож, то сока при этом почти не
будет;
2.Посыпал лимонные дольки сахаром – и наблюдал: через некоторое время из долек, как по
волшебству, потечет сок;
Конечно, волшебство тут ни при чем. Просто начал действовать осмос: сок потек из лимона
наружу, стремясь как можно больше разбавить образовавшийся на его поверхности
концентрированный раствор сахара. Этот же процесс имеет место и при квашении капусты.
После того как нашинкованную капусту перетрут с солью – ее объем резко уменьшается, а сама
капуста становится влажной. Говорят: «Капуста пустила сок». На самом деле это – осмос,
неважно какое растворимое в воде вещество находится снаружи клетки – сахар или соль. Рис.2
Опыт №2 «Картошка».
1.Вырезал из сырой картошки три одинаковых кубика произвольной величины ;
2. Один кубик опустил в банку со слегка подсоленной водопроводной водой;
3.Второй кубик опустил в банку с водой, где растворил как можно больше поваренной соли;
4.Третий кубик опустил в банку с обычной водопроводной водой;
5.Наблюдение вел 1,5 – 2 часа;
Через 1,5 – 2 часа стало заметно различие между кубиками: первый из них (слегка подсоленная
вода) остался прежнего размера. Второй – съежился и стал значительно меньше (сильно соленая вода). Третий – разбух. 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, в результате осмоса кубик начал обезвоживаться и уменьшаться
в размерах. С кубиком, оставленном в обычной воде произошло следующее: концентрация
солей в его соке была выше, чем в воде, и вода начала переходить в кубик. Поэтому он
«вырос»! Рис.3
Опыт №3 «Морковка - насос».
1.Взял обыкновенную морковь;
2.Сделал углубление там, где у моркови растет зеленый хвостик ;
3.В углубление вставил стеклянную трубку;
4.Приготовил раствор морской соли, растворив морскую соль в обычной воде;
5.Налил в трубку соленую морскую воду и наблюдал за происходящим.
Через некоторое время уровень воды в трубке начал подниматься (рис.4). Это тоже осмос.
Оказывается, вода будет давить на морковку с такой силой, что сможет уравновесить столб
воды высотой десять метров. Такое давление называется осмотическим.
Когда морковка находится не в стакане с водой, а растет на огороде, то вода попадает в ее
ткани точно также. Ведь в ее соке концентрация солей выше, чем в воде, которой поливают
огород.
Когда мы пьем, вода проникает в наш организм через стенки желудка благодаря осмосу –
концентрация солей в крови выше, чем в воде, вот вода и просачивается в кровь.
Вывод: осмотическое давление зависит от концентрации растворенного вещества.
Заключение.
В основе работы лежал экспериментальный метод исследования, который позволил доказать
выдвинутую в начале работы гипотезу. В ходе исследования осмоса, используя теоретические
знания и результаты опытов было установлено:
1)осмос имеет большое значение для растительных и животных организмов, способствуя
достаточному обводнению клеток и межклеточных структур;
2)осмотическое давление зависит от концентрации растворенного вещества;
3) осмотическое давление обеспечивает тургор клеток, т.е. их упругость;
4)наличие воды необходимо для нормального течения различных процессов в живых
организмах.
Литература:
1. Тимирязев К.А. Жизнь растения. - Л, 1949. – 115с.
2. Полевой В.В. Физиология растений. – М.: Высшая школа, 1989. – 464 с.
3. Тахтаджян А.Л. Жизнь растений. – М.: Просвещение, 1982. – 543с.
4. Интернет – сайт dic.academic.ru
Оглавление:
1.Введение
с.1 - 5
2.Методика постановки и проведение опытов. Анализ результатов эксперимента.
с.5 - 6
3.Заключение
с.6
4.Список литературы
с.7
5.Приложения
с.8 - 9