Введение
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? 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 (хотя и очень грубо) это
таинственное природное явление. И это явление,
при котором наблюдается одностороннее
проникновение растворителя через
полупроницаемую мембрану, отделяющую раствор от
чистого растворителя, называется осмосом.
Несомненно, что первым растворителем на земле
явилась сама природа. Попробуй-ка с этим
поспорить, если первую же свою травинку природа
сумела напоить таким способом, который сегодня
дал толчок возникновению нового метода
опреснения. Что же это за таинственный метод,
патент на который природа получила миллионы лет
назад? Всё живое пользуется этим методом. И не
мудрено — ведь без осмоса невозможно утолить
жажду ни человеку, ни растению! Что значит хотеть
пить?! Это значит, что клеткам нашего организма не
хватает воды.
А уже в наши дни успехи исследования осмоса заставили работать клетки в самых разных областях науки и техники.
Слово “осмос” имеет греческое происхождение и означает толчок, давление. Уникальные свойства живых организмов, которые позволяют их клеткам избирательно поглощать и переносить различные вещества, стали предметом исследования многих учёных. Им удалось создать синтетические плёнки - так называемые мембраны, непроницаемые для одних веществ и “прозрачные” для других. После этого такие “совершенные фильтры” начали завоёвывать 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 и делают ещё многое - многое другое. Интерес исследователей к данной теме продиктован актуальностью вынесенной в заглавие проблемы. Целью настоящей работы было - 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. Осмос, на взгляд исследователей, имеет большое значение для растительных и животных организмов, способствуя достаточному обводнению клеток и межклеточных структур.
Методы, используемые в работе:
1) описательный метод,
2) метод наблюдения,
3) экспериментальный метод.
Объяснение осмоса
Собрались однажды математики на охоту. Но прежде чем отправиться в путь, они решили все обсудить. Вопрос стоял перед ними нешуточный: как поймать льва? Было над чем голову поломать.
Долго думали математики. Но вот, наконец, самый молодой из них произнес нижеследующее:
“Поймать льва — это так просто! Известно, что есть пустыня. Известно, что в пустыне имеется лев. Предположим, что существует полупроницаемая мембрана, которая пропускает через себя всё, кроме льва. Натягиваем мембрану поперёк пустыни — льва сдаём в зоопарк”.
Шутка математиков оказалась для водоснабженцев делом серьезным. Вооружившись полупроницаемыми мембранами, они тоже устроили охоту. Но ловили они не львов, а... соли. Соли, которые находятся в воде.
Чем пресная вода отличается от соленой?
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.
Посмотрим через микроскоп на пылинку в капле пресной воды и мы увидим, что она не стоит на месте — её двигают молекулы воды, которые находятся в постоянном движении.
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.
Осмос - (от греч. “толчок”, “давление”),
односторонняя диффузия растворителя через
полупроницаемую перегородку (мембрану),
обусловленная стремлением системы к
термодинамическому равновесию и выравниванию
концентрации растворов по обе стороны мембраны.
Характеризуется осмотическим давлением. Это мы
можем увидеть прямо сейчас, рассмотрев этот
наглядный пример...
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
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”.
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
растворённого вещества и растворителя по всему
объёму. Теперь представим себе ситуацию, при
которой раствор и чистый растворитель разделены
полупроницаемой перегородкой - она пропускает
молекулы растворителя, но не пропускает молекулы
растворённого вещества. Очевидно, что в этом
случае выравнивание концентраций может
происходить только за счёт односторонней
диффузии растворителя. Молекулы растворителя
будут перемещаться через мембрану из менее
концентрированного раствора в более
концентрированный, вызывая в последнем
повышение уровня жидкости. Другими словами можно
сказать, что растворитель проникает в раствор
под действием сил так называемого осмотического
давления. Как только гидростатическое давление
столба уравновесит осмотическое давление,
процесс прекратится.
Полупроницаемая мембрана
Полупроницаемой мембраной называется плёнка, пропускающая молекулы растворителя и не пропускающая молекулы растворённого вещества. Такую мембрану можно вырастить самому. Для этого в раствор медного купороса нужно бросить кристаллик жёлтой кровяной соли. Кристаллик должен быть чистым - лучше всего его отколоть от большого кристалла перед самым опытом. В результате поверхность кристаллика покрывается полупроницаемой мембраной. Вода проникает через неё и вызывает рост “клетки”. Оболочка “клетки” расширяется, а в тех местах, где плёнка лопается под действием внутреннего давления, сразу же снова образуется полупроницаемая оболочка. Так происходит снова и снова. Таким образом “клетка” постепенно принимает ветвистую форму. Этот классический опыт требует терпения и аккуратности, красивые “растения” с первой попытки могут и не получиться.
Процессы разделения жидких систем играют важную роль во многих отраслях народного хозяйства. Для осуществления этих процессов уже давно применяют разнообразные способы: перегонку и ректификацию, абсорбцию и адсорбцию, экстракцию и др. Однако природа за миллионы лет эволюции живых организмов выработала наиболее универсальный и совершенный метод разделения с использованием полупроницаемых мембран. Действительно, 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.
Обратный осмос
А что, если надавить на соленую воду так, чтобы она под давлением, превышающим осмотическое, двигалась в сторону пресной воды? Что тогда произойдет? Тогда получится “обратный осмос”, и из соленой воды через мембрану будет выжиматься пресная.
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.
Поэтому очищенный растворитель все-таки содержит незначительное количество растворённых веществ. Важно, что повышение давления на входе не приводит к росту содержания солей в растворителе после мембраны. Наоборот, большее давление растворителя не только увеличивает производительность мембраны, но и улучшает качество очистки. Другими словами, чем выше давление растворителя на мембране, тем больше чистого растворителя лучшего качества можно получить.
Экспериментальное исследование
Осмос на кухне
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. Теоретические выкладки занимают три предложения.
Теория в трех предложениях
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.
Так распорядилась природа. Люди назвали это явление — “осмос”.
Нами была проведена практическая работа, целью которой было определение закономерностей изменения осмотического давления. Я подтверждала свои гипотезы с помощью опытов.
У нас возникло несколько вариантов насчёт того что, от чего зависит осмотическое давление:
- от рода растворяемого вещества;
- от температуры раствора.
Опыт первый, или плачущий лимон (смотреть рисунок №1)
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 (смотреть рисунок №2)
Мы вырезали из сырой картошки три одинаковых кубика и каждый из них опустили в банку с водой, но только в одной банке воду слегка подсолили, в другой растворили как можно больше соли, а в третью - 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 третий, или морковка-насос (смотреть рисунок №3)
Взяли морковку. Самую обыкновенную. Отрезали от нее зеленый хвостик, а вместо него вставили стеклянную трубку. Получилась пика: морковка — наконечник, а трубка — древко. Если налить в трубку соленую морскую воду, а морковку поставить в стакан с водопроводной водой, то спустя некоторое время можно заметить, что уровень воды в трубке начинает ползти вверх. Это тоже осмос.
А знаете, с какой силой водопроводная вода будет давить на морковку? Она будет давить с такой силой, что сможет уравновесить столб воды высотой добрых десять метров. Такое давление называется осмотическим.
Отгадки
Когда морковка находится не в стакане с водой, а растет на огороде, то вода попадает в ее ткани точно так же. 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.
Когда хозяйка варит суп, она солит воду сразу, чтобы из мяса и овощей вышло как можно больше сока. Но если нам надо приготовить отварное мясо, то следует его варить сначала в несоленой воде, чтобы сок не вышел. Посолить-то ведь всегда успеется!
Когда... Впрочем, здесь лучше остановиться, потому что осмос так часто встречается в нашей жизни, что всех примеров все равно не перечислишь.
Вывод: осмотическое давление зависит от концентрации растворённого вещества.
Осмос в природе
Было подтверждено, что 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, например, при консервировании пищевых продуктов путём добавления больших количеств соли или сахара. Микроорганизмы при этом становятся не жизнедеятельными. Осмотическое давление крови, лимфы и тканевых жидкостей человека равно 7,7 атм. при 37 градусов. 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 атмосфер. 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.
Полезно отметить, что осмотическое давление - главная сила, обеспечивающая движение воды в растениях и её подъём от корней до вершины. Клетки листьев, теряя воду, осмотически всасывают её из клеток стебля, а последние из клеток корня, берущих воду из почвы. Высокоорганизованные животные и человек отличаются постоянным осмотическим давлением крови. Нарушение её 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 отёки.
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 растворённых веществ значительно выше, чем в пресной воде, и вода начинает проникать внутрь клеток, болезненно растягивая их. Когда мы раскрываем глаза в солёной морской воде, то, как ни странно на первый взгляд, таких болевых ощущений не испытываем, поскольку концентрации соли в морской воде и клетках ткани довольно близки. Осмотическое давление в этом случае себя не проявляет, и этому можно только радоваться.
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 перестаёт перекачивать воду внутрь клеток, чтобы поддержать осмотическое давление жидкости на достаточном уровне, то клетки уменьшаются в размерах и гибнут.
Заключение
В основе работы лежал экспериментальный метод исследования, который позволил доказать выдвинутую в начале работы гипотезу.
В ходе исследования осмоса, используя знания теоретического материала, связанные с изучением проблемы, вынесенной в заглавии работы, в результате практических опытов нами 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. Возникающее после этого осмотическое давление обеспечивает тургор клеток, т.е. их упругость. Наличие воды необходимо для нормального течения различных процессов. Поэтому данная тема актуальна для любого жителя Земли.
Многочисленными примерами мы ещё раз доказываем, что без осмоса невозможна жизнь на Земле.
Цели исследования достигнуты, гипотеза подтверждена.
Данная работа может быть интересна ученикам средних классов, опыты, проведенные исследователями интересны и показательны, не требуют особой подготовки, безопасны для жизни человека. Данную работу можно предложить для проведения содержательного классного часа, а также использовать при проведении недели естественных наук.