Осмос

Теоретическое введение.

Осмос — это диффузия растворителя в раствор через полупроницаемую мембрану. Мембрана пропускает молекулы растворителя, но оказывается непроницаемой для молекул растворённого вещества. Осмос стремится выровнять концентрации раствора по разные стороны мембраны. Осмос продолжается до тех пор, пока вызванная им разность давлений не достигнет определённого предела, называемого осмотическим давлением. Например, осмотическое давление сладкого чая относительно несладкого превышает 2 атм, а в клетках многих растений оно может достигать 20 атм (что обеспечивает поступление воды из почвы к кроне деревьев). Растительная клетка представляет собой осмотическую систему, у которой полупроницаемой мембраной, разделяющей раствор клеточного сока от наружного раствора (воды), является клеточная стенка.

Осмотическое давление сильно разбавленных растворов недиссоциирующих веществ численно равно давлению, которое оказало бы растворённое вещество, если бы оно при данной температуре находилось в состоянии идеального газа и занимало объём, равный объёму раствора (закон Вант-Гоффа): \[p_{\text{осм}} = nkT,\] где \(n\) — число молекул растворённого вещества в единице объёма, \(k\) — постоянная Больцмана, \(T\) — абсолютная температура. Для любых растворов \(p_{\text{осм}}\) не зависит ни от природы растворённого вещества и растворителя, ни от устройства мембраны (лишь бы она была полупроницаемой).

Для растворов электролитов в законе Вант-Гоффа появляется поправочный коэффициент \(i\), обусловленный диссоциацией электролита в растворе: \[p_{\text{осм}} = i\,nkT.\]

В этом эксперименте определение осмотического давления основано на подборе внешнего раствора с известной концентрацией, равной концентрации растворённого вещества в клетках исследуемых тканей. При погружении полосок исследуемой ткани (картофеля) в раствор с повышенной концентрацией полоски теряют воду и их длина уменьшается. Если же внешний раствор обладает пониженной концентрацией, то клетки поглощают воду из раствора, их объём увеличивается и длина ткани увеличивается.

Примечание: молярностью (или молярной концентрацией) раствора называется отношение числа молей растворённого вещества к объёму раствора, выраженному в литрах. Например, в \(0{,}5\) М растворе NaCl на 1 л раствора приходится \(0{,}5\) моль NaCl.

Ход работы. Приготовьте из 1 М раствора NaCl и дистиллированной воды растворы различных концентраций (от \(1{,}0\) М до \(0{,}00\) М, что соответствует дистиллированной воде). Опишите, как вы это делали. Из картофельного клубня при помощи ножа вырежьте пластинку толщиной 4–5 мм (рекомендуем резать вдоль клубня). Из пластинки нарежьте 6 полосок шириной 3–4 мм. Подрежьте концы полосок так, чтобы они были примерно одинаковой длины. Тщательно измерьте длину каждой полоски (укажите, с какой точностью вам удалось это сделать) и поместите по одной в приготовленные растворы. Полоски должны быть полностью погружены в раствор. Все операции делайте достаточно быстро, не допуская увядания полосок. Через 20 минут извлеките полоски и тщательно измерьте их длину. Результаты занесите в таблицу, в которой укажите молярность раствора, в которую была погружена данная полоска, длину полоски до и после нахождения в растворе, изменение длины полоски. Нарежьте новые полоски картофеля и повторите эксперимент. Постройте график изменения длины полоски от молярности раствора, в котором эта полоска находилась. Из графика найдите молярность раствора в клетках картофеля. Оцените погрешность ваших измерений.

Найдите осмотическое давление \(p_{\text{осм}}\) предоставленного вам картофеля.

Значения коэффициента \(i\) для растворов NaCl (\(25\,^\circ\)C) различных молярностей указаны в таблице:

Оборудование. \(0{,}2\) литра 1 М раствора NaCl; \(0{,}5\) литра дистиллированной воды или бутилированной питьевой воды; шприц на 10 мл; штатив (кассета) для пробирок; 6 пробирок; нож или скальпель для нарезки полосок тканей картофеля; линейка; крупный удлинённый клубень картофеля; тарелка; пинцет (или стеклянная палочка); одноразовый стакан на \(0{,}2\) л; ёмкость для слива отработанной воды; часы (индивидуальные или настенные в аудитории).