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Osmosis (Solution, Evaporation, Diffusion and Osmosis) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Grade Level |
Prospective and Practicing K-8 Teachers; may be adapted for use in elementary classes. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Time
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Exercises 1-4 take approximately 2 1/2 hours. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
To Ponder
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1. | Our cells need a constant supply of oxygen and of water. They are also continuously producing carbon dioxide which needs to be removed. How do these materials get into and out of a cell? | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 2. | How does water pass from the roots of a plant to its highest leaves? | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 3. | How does water we pour into our gastrointestinal tracts actually get inside our bodies? | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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Supplies
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Per Group
(unless otherwise noted)
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Objectives
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Once you have completed these exercises you should be able
to:
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| 1. | Distinguish between concentrations of solute | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 2. | Calculate the concentration of and be able to describe solutions | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 3. | Predict net movement of molecules across a semipermeable membrane. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 4. | Define what molecules move during osmosis | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 5. | Use the terms hypotonic, hypertonic, and isotonic. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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Background |
Movement of MatterMovement is a characteristic which we most readily attribute to living organisms. Animals move around, seeking their prey. Vines twist and contort to maintain a grip on the tree trunk on which they are growing. Flowers open and close. Movement, however, is also a characteristic of the non-living world. Differential heating of air produces wind. Differential heating of water produces currents. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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Powerful Idea
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Movement is a pervasive characteristic of matter. All matter is made of molecules. All molecules are constantly in motion. To repeat, molecules and atoms are constantly in motion throughout the natural world. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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To Ponder
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1. | What kinds of evidence have you seen so far that supports the idea that molecules are constantly in motion? | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 2. |
If you are a coffee or tea drinker, and if you use sugar, you know that sugar
will dissolve faster in hot tea or coffee than it will in iced tea or coffee.
That is, a given amount of sugar will dissolve faster
in a given volume of water at higher temperature than at lower temperature. This
is an example of rate of diffusion | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 3. |
Four of the many factors that affect the rate of diffusion are
listed below. Thinking back to Lesson 1 and drawing on your everyday knowledge,
identify one or more examples you have seen of the effects of each of these
factors.
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| 4. | Design a new experiment which would allow you to test the effect of temperature on the rate of diffusion. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Exercise 1 |
Effects of a Concentration Gradient | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 1. | In this experiment you will collect some data which supports the statement that all molecules are in motion. You will also examine some consequences of this which are critical to life. Even though you will be using a non-living system as a model to collect the data, it is important to remember that what you discover is applicable in living systems. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| To Do | 2. | Fill a 100 ml beaker with 80 ml bottled water. Obtain four 4" strips of dialysis tubing from your instructor and place them in the bottled water to soften the tubing. When softened, the dialysis tubing will behave like a semipermeable membrane in a living cell. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| To Do | 3. | Remove the dialysis tubing from the water one piece at a time and tie off one
end with waxed dental floss by folding the tubing over the dental floss twice and
then tying the dental floss around the fold (see Figure 1). Return each piece of
tubing to the 100 ml beaker of bottled water as you complete the task.
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| Background | 4. | The designation used in this lab, e.g., 40% sugar, is a common way to refer to the solute content of a solution. It means that there are 40 grams of sugar per 100 ml of solution (not 40 grams of sugar per 100 ml of water). A 20% sugar solution would contain 20 grams of sugar per 100 ml solution, and so on. For purposes of thinking about osmosis, you can assume that the concentration of water is approximately equal to the difference - that is, about 60% water in a 40% sugar solution. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 5. | You will now prepare two different solutions of sugar. For each solution, use
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| To Do | 6. | As noted above, to prepare 100 ml of a 40% sugar solution you would weigh out
40 grams of sugar. However, we will need 200 ml of a 40% sugar
solution, so you need to double both the sugar content (to 80 gms) and the
solution volume (to 200 ml). Thus, . . .
If all has gone well, you now have precisely 80 gms of sugar mixed with bottled water to give precisely 200 ml of 40% sugar solution. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 7. | In a similar manner, prepare 20 ml of a 10% sugar solution.
Since a 10% sugar solution would contain 10 gms of sugar per 100 ml solution,
then 20 ml solution (1/5 the volume) would contain how much sugar? __________
gms.
If all has gone well, you now have precisely 2 gms of sugar mixed with bottled water to give precisely 20 ml of 10% sugar solution. Take a deep breath and continue. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 8. | Place these solutions inside the four dialysis sacs according to Table 1,
following the directions below.
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| Predict | 9. | As you are ready for it, remove a piece of dialysis tubing from the water in which it is soaking and blot it dry. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Interpret | 10. | Use a clean disposable pipette (Figure 2). Add 5 ml of the 10% sugar
solution to sac #1. Once the sac is filled, tie the open end with waxed dental
floss in the same manner as you did previously. Tie a label to one end of the
sac and call it #1 Set the filled and labeled sac on a paper towel. Repeat this
procedure described in steps 9 and 10 with a second piece of tubing, adding 5 ml
of a 10% sugar solution, and label #3.
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| 11. | Obtain a clean disposable pipette. Add 5 ml of the 40% sugar solution to sacs #2 and #4 in the manner described in steps 9 and 10 above, placing each one on the paper towel as completed. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Data Collection |
12. | Make sure that the pan of the balance is dry and that the balance is properly zeroed before weighing. Use the weights on the scale to obtain the proper adjustment. Weigh each sac to the nearest 0.1 gm. Record the beginning weights in Table 2 below. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 13. | In the table below, record the beginning weights, ending weights, and net
change in weight for each of your dialysis sacs.
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| Interpret | 14. | Place 40 ml of bottled water in each of two 50 ml beakers and label them
Beaker #1 and #2. Place 40 ml of 40% sugar solution in each of two 50 ml beakers
and label them Beaker #3 and #4 (Table 3).
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| 15. | Simultaneously place each filled and weighed dialysis sac into its
corresponding 50 ml beaker (Table 4). Note the time: __________ o'clock. You
will remove the sacs after 20 minutes of immersion, at __________
o'clock.
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| Predict | 16. | While waiting, predict what will happen to each sac. Use
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| To Do | 17. | After 20 minutes have passed, remove the sacs from the solutions in which they are sitting. Pat each sac dry with paper towels. Weigh each sac again (removing the label when you weigh it) and enter this Ending Weight into Table 2 above. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Data | 18. | In the last column of Table 2, summarize results using the notation described in step 16. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Collection Results |
19. | Compare your predictions with your results (Table 5). | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| Interpret | 20. | Explain any discrepancies. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| To Do | 21. | Finally, compare your results to those obtained by other groups in the class. Are you all in agreement? If not, why not? Is there a logical explanation? | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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Exercise 2 |
Organizing Your Knowledge | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Question | 1. | When working with sugar dissolved in water, which molecules flow across a semipermeable membrane and which ones do not? | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Interpret | 2. | The water molecules that flow across the membrane do so freely in both directions. However, the net or overall flow will be in the direction of the concentration gradient, from high concentration of that molecule to low concentration of that molecule. What concentration gradient (that is, the concentration of what substance) did you have to pay attention to in order to make your predictions accurately? | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| To Do | 3. | When two solutions are separated by a semipermeable membrane, how does the solute concentration of the two solutions affect the direction in which water flows? | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Think | 4. | During osmosis, does water violate or obey the laws of diffusion? Justify your answer with your data. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Interpret | 5. | Make a general statement relating the direction of water flow to the concentration of solute in solutions separated by a semi-permeable membrane. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Interpret | 6. | Does osmosis require living tissue to occur? Explain. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Question | 7. | Do living things require osmosis? Explain. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Interpret | 8. | Use the terms hypotonic, hypertonic and isotonic to describe the various
conditions in the experiment you just performed:
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| Question | 9. | Describe the sites in which osmosis occurs in human beings within the context
of each of the following systems. digestive system urinary system circulatory system | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Exercise 3 |
Knowledge Integration | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Background |
1. | Suppose you had a U-shaped tube (shown below) that was filled
with water as indicated. Let us also suppose that at the bottom of the U-shaped
tube there was a semi-permeable membrane that was permeable to both water and
blue dye. However, the membrane IS NOT permeable to yellow dye.
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| Predict | 2. | Now let us suppose that we add identical concentrations of blue dye to right
side of the tube and yellow dye to the left side of the tube. What color will
the right and left sides begin to turn as soon as you add the dyes?
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| 3. | As diffusion begins to occur across the membrane, what will happen to the water levels?
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| 4. | After letting enough time pass for the system to equilibrate, what will the system look like?
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| 5. | Which processes are occurring in this system? | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 6. | What molecules are moving across the semipermeable membrane in this
system? | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Supplementary |
Borovoy, Alexander. 1991. Learning about (not by) osmosis.
Quantum. V2(2), 48-51. EJ447781 Sestili, Mary Ann. 1974. An investigative laboratory on diffusion and osmosis. American Biology Teacher V36(8), 492-493.
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