Осмотическое давление. Проявление осмотического давления в быту

Осмотическое давление. Проявления осмотического давления в быту

                                                                             Работу выполнили:

                                                                            Сафарова Кристина, Харченко Юлия

                                                                            ученицы 7 Б класса

                                                                            МОУ лицей №8 г.Будённовск

                                                                                   Руководитель:

                                                                                    Погожева Маргарита  Анатольевна,

                                                                                учитель физики МОУ лицея №8

Введение

       Хотя все мы давно забыли, что этот продукт появился в России и вообще в Европе сравнительно недавно, он уже стал нашим национальным блюдом - русская картошка, что может быть вкуснее?..

     Картофель -- диетический и даже целебный продукт. В его составе до 75% воды, 17% крахмала и других углеводов, в том числе около 1% клетчатки, но совсем мало жиров и белков. Есть в картофеле и витамины (С, В1, В2 и другие), и органические кислоты -- яблочная, щавелевая, лимонная. Так что сырой картофельный сок весьма полезен, недаром его рекомендуют при некоторых заболеваниях пищеварительной системы. Но здесь пойдет речь о картошке вареной и жареной.

     Очищенный для варки картофель лучше всего класть не в холодную, а сразу в горячую и подсоленную воду: в этом случае гораздо меньше питательных веществ потеряется с отваром. Экономная хозяйка этот отвар будет использовать для приготовления вегетарианского супа или соусов. Совсем мало потерь (не 14--15%, как обычно, а всего 0,1--0,2%) будет, если варить картофель в кожуре ("в мундире"). Однако учтите, что в кожуре и на поверхности клубней скапливается горькое и ядовитое вещество -- гликозид соланин; особенно много его в позеленевших и проросших картофелинах. Такую картошку можно варить, только как следует очистив от кожуры. Кроме того, в кожуре накапливаются нитраты из почвы, так что если картофель выращивался на удобренных почвах, его следует очистить и затем еще выдержать очищенную картошку в холодной воде в течение тридцати--сорока минут.

       Всем известно, как быстро темнеет вынутый из воды очищенный картофель. Химическая причина этого в том, что на воздухе содержащаяся в клубнях аминокислота тирозин постепенно окисляется с образованием пигмента меланина, окрашивающего поверхность клубней в темно-серый цвет. При промышленной переработке картофеля эту проблему решают так: очищенный картофель обрабатывают сернистым газом -- диоксидом серы, который обладает восстановительными свойствами. Дома можно просто опустить очищенную картошку в воду (лучше кипяченую, в ней меньше растворенного кислорода), и закрыть крышкой, чтобы свет не ускорял окисление.

     При варке картофель делается мягким из-за разрушения полимерных молекул протопектина, переходящих в молекулы растворимого углевода пектина. Одновременно из клубней выводятся катионы кальция и магния, входящие в состав протопектина. В жёсткой воде (содержащей катионы кальция и магния) этот процесс замедляется; кислая среда также снижает скорость перехода протопектина в пектин. Поэтому в такие супы, как рассольник, солянка, борщ, картофель надо закладывать раньше, чем кислые приправы (соленые огурцы, томаты), иначе он так и останется непроваренным и твердым.

      Если вам больше нравится картофельное пюре, готовьте его, пока отварной картофель горяч: пюре будет пышным и вкусным. Крахмал в клетках картофеля при варке превращается в клейстер, а клетки эти, в горячем виде сами по себе прочные, слабо связаны с соседними. Поэтому превращение горячего отварного картофеля в пюре не разрушает растительных клеток. (Если же растолочь холодную отварную картошку, клетки картофельных клубней разрушатся, клейстер из них вытечет; в результате получится липкая масса.)

1.Как варить картошку

Известно много рецептов приготовления варёного картофеля: одни хозяйки сначала кладут в холодную воду картошку и соль и доводят всё до кипения, другие солят картошку в воде в момент закипания, третьи бросают картошку в подсолённую кипящую воду. Чей способ лучше?

Сначала спросим себя: «Зачем мы варим картошку?» Ответ прост: для того, чтобы она была мягче и лучше усваивалась организмом. При нагреве структура, скрепляющая клетки картофеля, разрушается, а клеточные мембраны лопаются, Поэтому картофель и становится мягким. Необратимые процессы, приводящие к разрыву клеточных мембран при нагреве, начинаются уже при 50-60 ˚С, а при температуре кипения воды 100 ˚С становится очень интенсивным. Выясним, как сварить картошку, затратив на это минимальное количество энергии. Необходимо как можно плотнее уложить картофель в кастрюлю, залить его минимальным количеством холодной воды, а кастрюлю накрыть крышкой, чтобы водяной пар не уходил. Ещё один фактор. При повышении атмосферного давления всего на 10 мм рт.ст. температура кипения возрастает на 0,3 ˚С. Поэтому, если вы дождётесь ясной и солнечной погоды, то ваша картошка сварится быстрее (именно для значительного повышения давления и ускорения процесса варки был создан такой замечательный прибор, как скороварка). Повышает температуру кипения воды и добавление соли. Если её концентрация 7 г/л, то кипение начинается при температуре примерно на 0,3 ˚С выше. Вода закипит на 5-10 с позже, но картошка варится немного быстрее. Физические явления, которые работают в процессе варки картофеля,- передача тепла путём теплопроводности, конвекции и излучения, а также распространение растворённых веществ путём диффузии под действием осмотического давления.

Понятие осмотического давления

      Осмотическое давление, диффузное давление, термодинамический параметр, характеризующий стремление раствора к понижению концентрации при соприкосновении с чистым растворителем вследствие встречной диффузии молекул растворённого вещества и растворителя. Если раствор отделен от чистого растворителя полупроницаемой мембраной, то возможна лишь односторонняя диффузия — осмотическое всасывание растворителя через мембрану в раствор. В этом случае О. д. становится доступной для прямого измерения величиной, равной избыточному давлению, приложенному со стороны раствора при осмотическом равновесии  

      О. д. в клетках животных, растений, микроорганизмов и в биологических жидкостях зависит от концентрации веществ, растворённых в их жидких средах. Солевой состав биологических жидкостей и клеток, характерный для организмов каждого вида, поддерживается избирательной проницаемостью биологических мембран для разных солей и активным транспортом ионов. Относительное постоянство О. д. обеспечивается водно-солевым обменом, т. е. всасыванием, распределением, потреблением и выделением воды и солей. Соли высасывают часть воды из этих крошечных злодеев – обезвоживают их, заставляя съеживаться, после чего они либо погибают, либо теряют активность.

Как удаётся раствору соли или сахара извлечь воду из объекта. Посредством осмоса.

      Осмос практически единственный вид просачивания. Это проникновение через мембрану, которое происходит, когда по обе её стороны находится растворы разной концентрации. Мембрана должна быть полупроницаемой. Сквозь неё должны проникать только молекулы воды и никакие другие. Большинство тонких плоских мембран, разделяющих органы у растений и животных, как раз полупроницаемые.

     В процессе осмоса происходит переход молекул воды из одного раствора в другой, но только в одном направлении. В определённом смысле мембрана служит для молекул воды улицей с односторонним движением. Направление движения зависит от относительной концентрации растворов. Вода будет направляться от раствора меньшей концентрации к раствору большей концентрации.

     Создаётся впечатление, что осмос происходит за счёт какого-то особого рода давления, заставляющего воду двигаться сквозь мембрану со стороны раствора с меньшей концентрации к раствору с большей концентрацией. Учёные действительно ввели понятие осмотического давления, и они относятся к нему так же трепетно, как к давлению в газах.

     Впервые О. наблюдал А. Нолле в 1748, однако исследование этого явления было начато спустя столетие. О. имеет важнейшее значение в биологических процессах , его широко используют в лабораторной технике: при определении молярных характеристик полимеров, концентрировании растворов, исследовании разнообразных биологических структур.

     Не чужда явлений осмоса и картошка. Возьмём обычный сырой картофель и порежем его кружочками. Половину кружочков поместим в стакан с концентрированным раствором соли, а остальную часть – в стакан с обычной водой. Если через полчаса вытащить из стаканов кружочки картофеля, то окажется, что те из них, которые провели это время в растворе соли, стали как будто резиновыми – они очень легко сгибаются, их трудно переломить. Наоборот, кружочки, пролежавшие в стакане с обычной водой, набухли и легко ломаются. Это тоже проявления осмотических сил.

     Картофель состоит из клеток, а каждая клетка окружена со всех сторон полупроницаемой мембраной – пропускает только воду. Поэтому кружочки картофеля в обычной воде начинают разбухать, а в концентрированном солевом растворе или сахарном сиропе – сморщиваются. Кстати, если из картофеля вырезать несколько одинаковых кубиков, бросить их в те же растворы, что и кружочки, а потом измерить снова, то происходящее разбухание и сморщивание можно оценить количественно.

Перейдем к картошке. Вырежьте из картофелины три кубика, желательно одинаковых размеров. Приготовьте три банки. В одну налейте подсоленную воду, в другую - концентрированный раствор соли, а в третью-просто воду из-под крана. В каждую банку опустите по картофельному кубику. Часа через два-три внимательно рассмотрите кубики. У того, который находился в подсоленной воде, никаких изменений вы не обнаружите. А вот два других изменились, и заметно. Тот кубик, который лежал в концентрированном растворе соли, намного уменьшился, а тот, который вы опустили в воду, стал, напротив, заметно больше.

Сначала о том, почему не изменился первый кубик. Он был в разбавленном растворе, и концентрация соли оказалась примерно той же, что и в самом картофельном соке. Кубик, который находился в концентрированном растворе, стал отдавать воду, снижая концентрацию этого раствора; вода из картофеля уходила, и кубик съежился. А последний кубик, тот, что был в воде, стал поглощать воду и увеличился в размерах.

     Силы осмоса работают только у сырого картофеля. Процесс варки убивает клетки картофеля, и его мембраны перестают быть полупроницаемыми. В этом легко убедиться, поставив такие же опыты на кружочках или кубиках варёного картофеля. Что же касается роли осмотических сил при варке картофеля, и осмос становится невозможным.

А вот ещё несколько полезных советов. Чем стоять над кастрюлей, подкарауливая момент закипания (а она подчиняется закону Джерома: чайник, на который смотришь, никогда не закипит), свалите-ка туда всё что нужно сразу, накройте крышкой – и на 20 минут вы свободны! Сократить этот срок в масштабах, превосходящих ошибку эксперимента, поможет такой фокус: бросьте в воду кусочек жира. Когда он расплавится, то покроет поверхность воды тонкой плёнкой, которая будет мешать испарению воды. А это даст неплохой выигрыш, т.к на испарение каждого грамма воды уходит около 2258 Дж тепла. Вымыслы, что варка ускоряется благодаря более высокой температуре кипения жира или давлению, которое оказывает плёнка на воду из-за поверхностного натяжения, не имеют под собой никакой основы.

     От картофеля перейдем к моркови и заставим ее работать как насос.

Отрежьте от морковки ботву и в "макушку" воткните стеклянную трубку. Морковку поставьте в стакан с водой; наверное, вы без труда придумаете, как удержать морковь в вертикальном положении.

     В стеклянную трубку налейте до половины раствор соли и займитесь наблюдениями. Вскоре уровень воды в трубке начнет подниматься и, если опыт поставлен правильно, вода даже выльется из трубки. Морковь как бы перекачивает воду из стакана, заставляет ее двигаться вверх.

         Когда вы поливаете морковь, растущую на огороде, она примерно так же перекачивает воду из почвы в ботву. В ее соке концентрация солей выше, чем в поливочной воде, и благодаря осмосу живительную влагу получают не только корни, но и все ткани растения.

    Чтобы понять, что произошло, надо прежде всего уяснить себе, что такое полупроницаемая мембрана. Это такая пленка, которая задерживает одни молекулы и в то же время пропускает другие. И целлофановая, и пергаментная пленки пористы, но поры в них настолько малы, что для молекул сахара они непроницаемы. По обе стороны нашей перегородки есть вода, но с той стороны, где находится раствор сахара, нa каждый участок поверхности приходится меньше молекул воды. Поэтому со стороны воды через мембрану проходит больше молекул, и это приводит к тому, что объем жидкости в стакане увеличивается и, следовательно, полупроницаемая пленка раздувается. В природе все стремится к равновесию, в данном случае - к выравниванию концентрации растворов. И вскоре равновесие наступает: сколько молекул воды поступает в стакан с сиропом, столько же из него и выходит в наружный сосуд. Поэтому пузырь получается не слишком большим.

       Физико-химическое явление, которое мы только что наблюдали, называется осмосом, а давление, заставляющее пленку изгибаться, - осмотическим давлением. Чтобы наблюдать осмос, обязательно нужны перегородка и две жидкости: раствор какого-либо вещества и чистый растворитель (у нас - вода) или хотя бы более слабый раствор.

      Оболочка живых клеток - всегда полупроницаемая мембрана. Она задерживает молекулы многих веществ, растворенных в воде, но воду пропускает. Поэтому каждая животная и растительная клетка - это микроскопическая осмотическая система, а осмотическое давление играет очень важную роль в жизнедеятельности организмов.

      Осмос можно наблюдать в самых простых опытах. Острым ножом отрежьте тонкий ломтик лимона и положите его на блюдце. Заметьте: сока на поверхности почти нет. Посыпьте дольку сахарным песком или, еще лучше, сахарной пудрой - и очень скоро лимон пустит сок.

      Подобный опыт можно поставить и с клубникой, и с другими ягодами, положив их в сухие баночки. Ягоды, посыпанные сахаром, быстро выделяют сок.

     Во всех этих случаях работает осмос. На поверхности лимона или ягод образуется концентрированный раствор сахара, и сок, гораздо менее концентрированный, стремится разбавить этот раствор, он проникает сквозь клеточные мембраны и выходит наружу - точно так же, как в предыдущем опыте вода из банки устремлялась в стакан с сиропом.

Вывод:

       Таким образом мы доказали причины и проявления осмотического давления в быту.

Также я планирую продолжить свою работу летом, чтобы убедиться в существовании осмотического переноса воды, или , как говорят корневого давления прямо в огороде с различными растениями.

    Убедиться в существовании осмотического переноса воды, или, как иногда говорят, корневого давления, можно прямо в поле или в огороде. Найдите какое-нибудь быстрорастущее растение, желательно с крепким и достаточно широким стеблем (подсолнечник, крапива, тюльпан и т. п.) и срежьте его на высоте около 10 см над землей. На торчащий из земли стебель наденьте короткую резиновую трубку, в которую вставлена тонкая и длинная, не меньше полуметра, стеклянная трубка.

    Понятно, такую длинную трубку необходимо как-то закрепить; привяжите ее к колышку, вбитому рядом в землю. Для лучшего уплотнения обмотайте резиновую трубку ниткой в том месте, где она прилегает к стеблю, а можно вдобавок обмазать стык пластилином, чтобы герметизация была надежной.

    Теперь займитесь поливкой, и вскоре вода начнет подыматься по трубке. Если диаметр трубки не более 5 мм, то столб воды будет высоким.

    Но осмотическое давление - не единственная причина, по которой вода в растениях движется снизу вверх. Среди других причин - транспирация, т. е. испарение воды листьями. Отдав питательные вещества растениям, вода через устьица листьев испаряется, а на ее место поступают новые порции воды из корней.

   Опыт с транспирацией прост. Поставьте в пробирку с водой срезанную веточку какого-нибудь растения, отметьте на пробирке уровень воды (хотя бы перевязав ее в этом месте цветной ниткой), и скоро вы заметите, как опускается уровень воды в пробирке. Но может быть, причина в том, что вода испаряется прямо из пробирки?

Чтобы исключить прямое испарение, налейте на поверхность воды чуть-чуть вазелинового или растительного масла: оно полностью закроет поверхность, препятствуя испарению. Однако уровень воды и в этом случае будет опускаться. Значит, вода испарялась через листья. Если у вас есть весы, то опыт с транспирацией можно ускорить и сделать более наглядным: пробирку с веткой (не забудьте о нескольких каплях масла на поверхности) поставьте на чашку весов и уравновесьте. Вскоре равновесие нарушится, и та чашка, на которой стоят пробирка, подымется вверх.

     Подобные опыты можно поставить с разными растениями, с домашними цветами: скорость транспирации у них будет неодинаковой. Но попробуем немного видоизменить опыт: накроем ветку растения перевернутой стеклянной банкой. Можно даже не срезать для такого опыта ветку, а просто накрыть банкой какое-либо небольшое комнатное растение, например, молодую настурцию. Если растение полито как следует, то в замкнутом объеме атмосфера очень скоро насытится водяными парами, и вода не сможет больше испаряться из листьев. Транспирации заведомо нет, однако спустя некоторое время на листьях появляются капельки воды. Отчего? Опять стало работать осмотическое давление...

    А еще вода подымается по стеблю благодаря тому, что растение пронизано тончайшими сосудами - капиллярами, по которым жидкость движется вверх тем быстрее, чем они тоньше. Если бы у вас был стеклянный капилляр диаметром 0,02 мм, то вода могла бы подняться по нему на три метра! А в растениях есть капилляры и потоньше...

    В несколько стеклянных банок налейте воды и подкрасьте ее несколькими каплями чернил. Стебли или ветки разных растений срежьте острым ножом (предпочтительнее под водой) и поставьте в банки. Мало-помалу подкрашенная вода заполнит все сосуды растения, подымется по капиллярам. Обнаружить ее движение легко - изменится цвет прожилок на листьях. Если сделать на каждой ветке несколько поперечных срезов, то вы увидите, как расположены капилляры (советуем взять для этой цели лупу посильнее).

     И последний опыт с растениями. Воду, подкрашенную чернилами, налейте в какой-либо широкий сосуд, например, в миску. Ветку опустите в воду и обрежьте под водой часть стебля. Через несколько минут выньте ветку и сделайте острым ножом несколько срезов. За считанные минуты (не забудьте отметить, за сколько именно) вода довольно высоко продвинется по стеблю.

Другую, точно такую же ветку обрежьте на воздухе, после чего погрузите в ту же миску и держите столько жe минут в воде. На этот раз, как показывают срезы, вода поднялась гораздо ниже!

Причина в том, что капилляры растений очень тонкие, они легко забиваются воздушными пробками - крохотными пузырьками воздуха. И тогда поступление воды к листьям прекращается. А когда стебель срезан под водой, то воздушным пробкам неоткуда взяться.

Наверное, вам теперь понятен смысл совета, который дают опытные цветоводы: если вы хотите, чтобы срезанные цветы стояли в вазе как можно дольше, обрезайте стебли не на воздухе, а под водой.

Список использованной литературы:

1. «Все обо всем» Популярная энциклопедия для детей Москва 1998 Филологическое общество «Слово»

2. Журналы «Наука и жизнь»    

3. Учебники «Окружающий мир»                  

4. Химическая энциклопедия. Том 1. Редактор И.Л.Кнунянц. Москва, 1988 год.

5. В.А.Крицман, В.В.Станцо. Энциклопедический словарь юного химика. М., “ Педагогика“,  1982 год.