II. gimnazija Maribor OSMOZA Projektna naloga pri predmetu informatika Dijak: Sara Brkljačič; Mentor oblike: Mirko Pešec, dipl. ing. elektrotehnike; Mentor vsebine: Leonida Serdinšek-Gričnik, dipl. ing. kem. tehnologije;
Kazalo Kazalo... 2 Kazalo slik... 3 Stvarno kazalo... 4 2. Difuzija... 6 1.2. Primer difuzije... 6 3. Za aktivni transport... 7 4. :... 7 4.1. Primer osmoze... 8 4.2. Osmoza pri živalskih celicah... 8 4.3. Osmoza pri rastlinskih celicah... 9 4.4. Kaj je osmoza?... 9 4.5. Hidrostatični tlak... 9 4.6. Osmotski tlak... 9 4.7. Van't Hoffova enačba... 10 4.8. Ali prej umreš če se utapljaš v morju kot v jezeru?... 10 4.9. Reverzna osmoza... 10 Stran 2
Kazalo slik Figure 1: Osmoza... 6 Figure 2: Risba osmoze... 7 Stran 3
Stvarno kazalo aktivni transport, 7 biološke membrane, 7 celična stena, 8 celičnih procesih, 7 difuzija, 6 hidrostatski tlak, 9 hipertonični, 8 hipotonični, 8 Kemijski vrt, 9 kinetično energijo, 6 koncentracijskim gradientom, 6 kristal barvila, 6 molske mase, 9 natrijev silikat, 9 osmotski tlak, 8, 9 osmotsko katastrofo, 8 osmoza, 7 reverzni osmozi, 10 topljenca, 6 Tugor, 8 turgorski tlak, 8 van't Hoffova enačba, 9 Stran 4
1. Uvod Raztopine v našem življenju redno srečujemo, čeprav se mnogokrat njihove prisotnosti sploh ne zavedamo. (npr. sok, ki ga pijemo je pogosto raztopina vode in neke snovi, čaj, ki si ga sladkamo ) Ko si pripravljamo čaj, seveda ne izmerimo natančno, koliko sladkorja bomo dali vanj. V kemiji pa je mnogokrat pomembna še posebej natančnost merjenja, s katero pripravimo neko raztopino. Stran 5
2. Difuzija je pasivno gibanje topljencev v smeri koncentracijskega gradienta Vse molekule imajo neko naključno termično gibanje ali tako imenovano kinetično energijo( energijske pretvorbe). Zaradi lastne kinetične energije se v raztopini gibajo tudi molekule topljenca. Ena izmed posledic takšnega naključnega gibanja topljencev je, da molekule topljenca prehajajo iz območij kjer je njihova koncentracija visoka, do območij kjer je njihova koncentracija nizka. Kar pomeni, da se topljenci premikajo s koncentracijskim gradientom. Temu pasivnemu transportu snovi rečemo difuzija. Energija, ki je potrebna za pasivni transport je kar kinetična energija, ki jo imajo vse molekule. Difuzija(pri kateri je naključno gibanje molekul) traja toliko časa, dokler niso vse molekule enotno razporejene po vsej raztopini. 1.2. Primer difuzije Za najlažjo ponazoritev difuzije vzameš kristal barvila in ga spustiš v čašo s čisto vodo. Med raztapljanjem kristala se bo barva difuzno razporejala, molekule se bodo gibale po čaši zaradi kinetične energije. Hitrost difuzije je odvisna od molekul barvila. Če so te manjše, se bodo gibale počasneje. Prav tako je hitrost difuzije odvisna tudi od temperature raztopine. Ob nižji temperaturi bo gibanje počasnejše. Ne glede na hitrost difuzije pa bo postala koncentracija barvila postopoma v vsej raztopini enaka. S tem, ko dosežemo ravnotežje, se v povprečju giblje enako število delcev v vseh smereh in razlike v koncentracijah ni več. Figure 1: Osmoza Stran 6
3. Za aktivni transport je nujna dodatna energija Če za primer vzamem skalo, ki se skotali po vzpetini navzdol. Skala se zaradi kinetične energije pasivno kotali po strmini navzdol. Če pa skalo na dno vzpetine porineš, jo lahko spraviš tudi navkreber. Enako je z našimi topljenci. Ti se prav tako lahko premikajo iz območij z nižjimi koncentracijami na območja z višjimi koncentracijami, če imajo za to na voljo dovolj energije. V celičnih procesih se energija pogosto uporabi za premik topljencev proti koncentracijskemu gradientu. Temu transportu, ki zahteva dodatno energijo, rečemo aktivni transport. 4. : je difuzija vode skozi izbirno prepustno membrano Mnoge snovi(kot tudi voda), se premikajo skozi biološke membrane tako prosto, kot se premikajo v vodni raztopini. Pasivni transport vode vpliva na mnoge aktivnosti v celici, na primer: rast, strukturo, togost, fotosintezo. Ker ima difuzija vode skozi izbirno prepustno membrano pomembno vlogo v tako velikem številu procesov je dobila posebno ime osmoza. Figure 2: Risba osmoze Stran 7
4.1. Primer osmoze Osmozo si na enostaven način ponazoriš z opazovanjem gibanja vode skozi izbirno prepustno membrano v cevi, oblikovani v obliki črke U. Glukoza ne more prehajati skozi membrano in je bolj koncentrirana na desni strani cevi kot na levi strani. Skupni premik vode v smeri bolj koncentrirane raztopine glukozne raztopine povzroči, da se prostornina na desni strani cevi poveča. Ob začetku osmoze ima voda na hipotonični (grško: hypo = pod) strani membrane, kjer je nizka koncentracija molekul topljencev, višji vodni potencial kar pomeni, da ima večjo možnost, da se premika na stran z nižjim vodnim potencialom, kjer je večja koncentracija molekul topljencev. Gibanje vode lahko ustavimo, če na hipertonični strani (grško: hyper = prek) cevi, kjer je visoka koncentracija molekul topljencev in je večja prostornina raztopine, na vodni stolpec pritisnemo z batom z ravno dovolj tlaka, da prostornina na obeh straneh membrane izenačimo. Ta tlak imenujemo osmotski tlak in pomeni silo, ki zaradi razlik v koncentraciji povzroči premik vode skozi membrano in s tem povečanje prostornine. 4.2. Osmoza pri živalskih celicah Celice po navadi obdaja hipotonično okolje, v katerem je manj molekul topljencev kot znotraj celice. Rezultat tega je, da celice vodo sprejemajo. Če voda vstopa v celico hitreje, kot iz nje izhaja, se prostornina celice povečuje in celica nabreka. Živalske celice so od okolja ločene le s celično membrano, ki ne zagotavlja nasprotnega tlaka osmotskemu tlaku. Zaradi tega bi v hipotoničnem okolju tako nabreknile, da bi nazadnje počile. Živali to težavo rešujejo tako, da se njihove celice kopajo v tekočini bogati z nekaterimi topljenci, zlasti z natrijevimi in klorovimi ioni. To uravnotežuje koncentracijo anorganskih in organskih topljencev znotraj celice in preprečuje osmotsko katastrofo. Temu pravimo, da so celice v izotoničnem okolju. Osmotsko ravnotežje je vedno v nevarnosti, saj zunanji topljenci ves čas prenikajo v celico vzdolž svojih gradientov. Tako morajo celice nenehno črpati nezaželene topljence navzven, da vzdržujejo osmotsko ravnotežje. Molekule topljencev črpajo skozi posebne beljakovine črpalke, ki delujejo tako kot vodna črpalka na preluknjanem čolnu (membrane in membranski transport. posebni načini prenosa snovi skozi membrano). Ta proces pa porablja energijo. Hipotonično okolje: Hipertonično okolje: 1. nizka koncentracija molekul topljencev, 2. višji vodni potencial 1. višja koncentracija molekul topljencev, 2. nižji vodni potencial Stran 8
4.3. Osmoza pri rastlinskih celicah Rastlinske celice osmotske težave rešujejo na drugačen način. Pred nabrekanjem in pokanjem jih ščiti trdna celična stena, tako da lahko celica prenese precejšne osmotske razlike na različnih straneh membrane. Zaradi celične stene nastane nasproten tlak, ki uravnoteži osmotski tlak, nastal zaradi večje koncentracije topljencev v celici. Na ta način celica omejuje vstop vode v celico. Skupni rezultat osmoze, se pravi transporta vode in aktivnega transporta ionov v celico, je turgorski tlak, na kratko tugor. Tugor je tlak proti celični steni, ki se razvije znotraj celice zaradi vstopa vode vanjo. Napolnjenost z vodo zagotavlja celici trdnost. Celica ovenele rastline protoplast ločen od membrane. 4.4. Kaj je osmoza? Tretja koligativna lastnost je osmoza ( grško: potisniti). Uporablja se za določanje molske mase, velik pa je tudi njej pomen v biologiji. Osmoza je pojav, pri katerem molekule topila prehajajo skozi membrano iz manj koncentrirane v bolj koncentrirano raztopino. Membrana je pol prepustna; skoznjo lahko prehaja topilo ne pa tudi topljenec. Skozi nekatere polprepustne ali selektivno prepustne membrane prehaja lahko voda, ne pa tudi, ne pa tudi raztopljeni ioni; skozi druge lahko prehajo majhne molekule topila, ne pa tudi velike molekule polimerov in drugih bioloških spojin. Membrane celic so naravne polprepustne membrane, zato je osmoza v biologiji tako zelo pomembna. 4.5. Hidrostatični tlak V aparaturi na sliki je čisto topilo ali razredčena raztopina ločena od koncentrirane raztopine s polprepustne membrano. Topilo prehaja skozi membrano iz raztopine z manjšo koncentracijo v raztopino z večjo koncentracijo. Prostornina koncentrirane raztopine se povečuje, nivo tekočine v cevki se dviga, s tem pa narašča hidrostatski tlak, ki deluje navzdol. Prehajanje molekul topila se nadaljuje, dokler ni dodatni tlak na desni strani membrane tako velik, da je topilo na obeh straneh membrane v ravnotežju in je skupni pretok enak nič. 4.6. Osmotski tlak Dodatni tlak v tem ravnotežju imenujemo osmotski tlak π. Zaradi osmoze celice rastlinskih korenin črpajo vodo, saj je koncentracije soli v rastlinskih celicah večja kot v vodi v prsti. Jajce brez lupine v vodi nabrekne, v koncentrirani raztopini soli pa se skrči( membrana ovoja je pol prepustna).»kemijski vrt«nastane, če kristalčke kovinskih soli potopimo v raztopino vodnega stekla (natrijev silikat). Pri počasnem raztapljanju kristalov nastanejo okoli njega netopni kovinski silikati, ki delujejo kot polprepustne membrane, skozi katere prehaja voda. Pri tem nabrekajo in počijo, pri čemer nastajajo nenavadne oblike. Stran 9
4.7. Van't Hoffova enačba Osmoza je koligativna lastnost, ker je osmotski tlak raztopine odvisen le od števila delcev topljenca, ne pa tudi od njegove narave. Raztopina 1, ki vsebuje n molov topljenca v prostornini V, je pri temperaturi T preko polprepustne membrane v stiku s čistim topilom. Osmotski tlak za te razmere podaja van't Hoffova enačba: π V = nrt R je plinska konstanta. Ta enačba je presenetljivo podobna plinski enačbi za idealne pline ( pv = nrt), čeprav velja za popolnoma drug sistem. Merjenje osmotskega tlaka je zelo uporabna metoda za določanje molske mase. Osmotski tlak lahko merimo pri sobni temperaturi, zato je ta tehnika uporabna tudi v primeru bioloških molekul, občutljivih na temperaturo. Zaradi njene občutljivosti jo lahko uporabljamo tudi za določanje molske mase proteinov 2, polimerov in drugih snovi, ki jih sestavljajo velike molekule. 4.8. Ali prej umreš če se utapljaš v morju kot v jezeru? O smoza je izredno pomembna pri procesih v telesu. Če prodre voda v pljuča, poteče osmoza vode v bolj slano kri. Zaradi tega lahko v treh minutah odpove srce. Če pride v pljuča voda, bolj slana od krvi, prehaja zaradi osmoze voda iz krvi v slano vodo. Ta prehod je počasnejšim smrt nastopi po približno dvajsetih minutah. Za reševanje utopljencev je zato v slanih vodah nekoliko več časa. 4.9. Reverzna osmoza Pri reverzni osmozi gre za obraten proces kot pri osmozi. Z večanjem tlaka na raztopino povzročimo, da prehaja čisto topilo preko membrane iz raztopine. V tem primeru mora biti tlak na raztopino večji od osmotskega tlaka raztopine. Ta tehnika se uporablja za razsoljevanje 3 morske vode. 1 zmes vode in topljenca 2 drugače imenujemo tudi beljakovina 3 proces pridobivanja sladke - pitne vode iz morske vode