Allgemeiner Überblick

Kommentar: „Wasser und andere kleine, polare Moleküle wie Ethanol und Harnstoff gleiten einfach durch die Membran. Größere oder geladene wasserlösliche Substanzen benötigen einen Proteinträger. Die Fettacylreste stoßen Wasser nicht ab, aber sie ziehen es auch nicht an. Da das Wasser polar ist, wird es eher von anderen Wassermolekülen auf der gleichen Seite der Membran angezogen als von den Kohlenwasserstoffketten, die sich in der Doppelschicht befinden. Wenn die Wassermoleküle herumschwirren, rutschen einige von ihnen einfach durch. Proteinporen und -träger sind nicht beteiligt, und tatsächlich diffundiert Wasser durch eine künstliche Lipiddoppelschicht, die nicht einmal Proteine enthält. Es diffundiert nicht so schnell, wie wenn die Lipiddoppelschicht nicht vorhanden wäre, aber es diffundiert ziemlich leicht. Sie sprechen von wasserlöslichen Stoffen, was sich auf polare und geladene Moleküle beziehen würde. Einige wasserlösliche Stoffe benötigen Proteinkanäle oder sogar Träger (die als Pumpen bezeichnet werden, wenn sie metabolische Energie benötigen). Größere polare Moleküle haben es schwerer, durchzukommen, und geladene Moleküle haben es noch schwerer, auch wenn sie klein sind (z. B. Ionen). Der Grund dafür, dass die Ionen Schwierigkeiten haben, durchzukommen, liegt darin, dass sie hydratisiert werden (umgeben von Wassermolekülen, deren entgegengesetzt geladene Enden sich mit dem geladenen Ion verbinden). Man kann also nicht das Ion allein betrachten (das klein erscheinen mag), sondern die gesamte Hydratationssphäre, die wahrscheinlich groß ist. Ionen benötigen im Allgemeinen Membranproteine, um durchzukommen, ebenso wie größere polare Moleküle.“
-Bob Goodman, Hunter College High School, New York City. 11/3/99

Ausrüstungs- und Versorgungsänderungen

Tipp: „Für Dialyseschläuche habe ich die billigsten Plastiksandwichbeutel verwendet. Die funktionieren ziemlich gut.“
-Jo Ann Burman, Andress High School, El Paso, Texas. 9/9/99

Tipps: „Zwei Tipps, die ich gerne weitergeben möchte. Ich bin ein (ziemlich) neuer Lehrer, und diese letzten beiden Entdeckungen haben die Dinge ein wenig einfacher gemacht. Erstens: Ich kaufe Sprühstärke, wie man sie zum Bügeln verwendet. Vorbei sind die Zeiten, in denen man die Stärke erhitzen musste, um sie aufzulösen. Man sprüht die Stärke einfach so lange in ein Fläschchen mit Wasser, bis man glaubt, dass es genug ist. Ich messe nie nach und es funktioniert wunderbar! Zweitens, für ein schnelles Benedict’s Testergebnis, halten Sie es für zwei bis fünf Sekunden in die Mikrowelle; auch hier sind die Ergebnisse großartig. Viel besser als Teststreifen. Ich hoffe, ich habe Ihnen mindestens 10 Minuten der Vorbereitungszeit im Labor abgenommen. Jede Minute zählt!“
-Sara Sagmeister, Park Ridge, Illinois. 6.10.99

Tipp: „Versuchen Sie, violette Zwiebeln für das Labor zu verwenden – es funktioniert – stellen Sie nur sicher, dass sie einige pigmentierte Zellen haben. Die Unterschiede mit dH20 und der Salzlösung sind groß. Wenn du die Salzlösung nicht mischen willst und ein Salzwasseraquarium hast, nimm einfach einen kleinen Becher mit Wasser aus dem Aquarium. Das funktioniert gut.“
-Bobbie Hinson, Providence Day School, Charlotte, North Carolina. 14.10.99

Tipp: „Ich verwende eine Pflanze namens Rhoeo discolor anstelle von Zwiebeln für den letzten Teil des Labors. Ihre Blätter sind auf der Unterseite violett und die violette Epidermisschicht lässt sich leicht vom Rest des Blattes ablösen. Sie ist sehr einfach in einem Topf auf der Fensterbank zu kultivieren (sie scheint bei geschickter Vernachlässigung zu gedeihen!). Sie sollte in einem Gartencenter erhältlich sein. Es ist eine sehr verbreitete Pflanze, die in Nordtexas als Bodendecker verwendet wird – ich wünschte, ich könnte Ihnen den Namen sagen; sie erinnert mich an den Wanderjuden, aber mit größeren, weniger behaarten Blättern.“
-Marcia Sloan, Cleburne High School, Cleburne, Texas. 15.10.99

Frage: „Ich war gestern in der Apotheke, um Blutzuckerteststreifen zu kaufen, und es gab viele Möglichkeiten. Ich habe keine der Marken gefunden, die im Lehrerhandbuch aufgeführt sind. Spielt die Marke eine Rolle? Kaufst du die Urin-Glukose-Teststreifen oder die Blut-Glukose-Teststreifen? Sie sind sehr teuer, und ich wollte nicht die falsche Marke kaufen.“

Antwort 1: „Bitten Sie Ihren Apotheker, veraltete Urinteststreifen für Sie aufzuheben. Oft bekommen Sie einen Preisnachlass, wenn Sie sagen, dass Sie Lehrer sind und die Teststreifen abgelaufen sind.“
-Franklin M. Bell, St. Mary’s Hall, San Antonio, Texas. 11/3/99

Antwort 2: „Ich beziehe meine Glukose-Teststreifen immer von Frey Scientific. Sie eignen sich gut für Dialysetests und zeigen in Gegenwart von Jod kein falsches Positiv an. Ich benutze sie auch für simulierte Urinanalysen und erhalte viel bessere Ergebnisse als die pharmazeutischen Teststäbchen.“
-Joni Driscoll, NW Cabarrus High, Concord, North Carolina. 10.10.99

Tipp: „Für das nächste Jahr vormerken: Benutzen Sie Benedict’s Lösung anstelle der Teststreifen, um auf das Vorhandensein von Zucker außerhalb des Beutels zu testen. Geben Sie einfach etwas von der Flüssigkeit im Becherglas in ein Reagenzglas, das die gleiche Menge Benedict’s-Lösung enthält. Mischen Sie es und erhitzen Sie es 5 bis 10 Minuten lang im Wasserbad. Du solltest einen positiven Test erhalten – die blaue Benedict’s Lösung wird rostig (orange/rot), wenn Glukose vorhanden ist. Ich habe das Labor letzte Woche durchgeführt und mit den Benedict’s gute Ergebnisse erzielt.“
-Carmen Austin, Wharton High School, Tampa, Florida. 10/5/99

Vorbereitungen für das Labor

Verfahrensänderungen

Frage: „Gibt es eine Alternative für die Kernbohrer-Methode zur Gewinnung von Kartoffelproben?“

Antwort 1: „Anstatt einen Korkbohrer für die Herstellung von Kartoffelzylindern zu verwenden, können Sie versuchen, mit einem Pommes frites-Schneider viele gleichmäßige Stücke roher Kartoffeln auf einmal herzustellen. Einer meiner Schüler hatte diese Idee!“
-Marcia Fischer, Desert Mountain High School, Scottsdale, Arizona. 24.10.00

Antwort 2: „… Wenn man keine Pommes-Frites-Maschine hat, kann man sie auch selbst in Scheiben schneiden. Ich habe den Korkbohrer schon vor Jahren aufgegeben und nehme einfach ein gutes Küchenmesser und schneide die Kartoffeln in ungefähr gleichmäßige ‚Stäbchen‘ von der ungefähren Größe, die verlangt wird. Das funktioniert, und ich halte das für eines der zuverlässigsten Labore. Es bestätigt auch meine Schlussfolgerung (die ich den Schülern immer wieder sage), dass das Erlernen von Kochkünsten ein hervorragendes Training für das Labor ist – viele der Fähigkeiten lassen sich übertragen!“
-Leslie Haines, Walter Williams High School, Burlington, North Carolina. 28.10.00

Antwort 3: „Ich habe festgestellt, dass es sehr schwierig ist, dieses Labor so durchzuführen, wie es beschrieben ist. Ich verwende dünne Kartoffelscheiben anstelle der Kerne und versuche, etwa 20 g Kartoffeln zu erhalten. Als ich einmal damit angefangen habe, klappt es wunderbar. Ich denke, das hat zwei Gründe: (1) Man hat eine viel größere Masse an Kartoffeln und damit einen viel geringeren Prozentsatz an Fehlern bei der Messung; (2) man hat nicht so viele kleine Kartoffelstücke, die abfallen und die Masse verringern.“
-Ed McDaniels, Grandville High School, Grandville, Michigan. 19.10.00

Tipp: „Ich habe eine französische Mandoline benutzt, um Kartoffelstäbchen für das 1C-Labor zu schneiden und erhielt großartige Ergebnisse (R-Quadrat = 0,996). Für eines meiner Teams habe ich die ‚Waffelschnitt‘-Technik verwendet und ‚Waffelchips‘ hergestellt, die ich dann mit einer kleinen Schüssel ‚gestanzt‘ habe, um gleichmäßig große ‚Waffelscheiben‘ herzustellen. Das Ergebnis war, dass sich die Scheiben in den hypotonischen Lösungen ausdehnten und die Scheiben in den hypertonischen Lösungen in übertriebener Weise zusammenzogen, was die Daten nur bestätigten. Es scheint, dass die vergrößerte Oberfläche dafür verantwortlich war.“
-Harry Padden, Washington Twp High School, Sewell, New Jersey. 17.11.00

Störungsbeseitigung und Aufräumen

Tipp: „Als ich heute das Osmose-/Diffusionslabor durchführte, machten meine Schüler eine interessante Entdeckung. Die Jodlösung reagierte mit den Glukoseteststreifen (Carolina Biological osmosis lab replacement kit) und verfärbte sich, was eine positive Glukosereaktion anzeigte. Die Schüler wollten wissen, wie sie feststellen können, ob Glukose aus dem Dialysebeutel diffundiert ist, da das Jod in der Becherlösung bereits einen positiven Test ergab. Ebenso wollten sie am Ende des Experiments, als das Jod in den Dialysebeutel diffundiert war, wissen, wie sie feststellen konnten, dass die Glukose nicht mehr vorhanden war (was durch eine verringerte Farbreaktion mit den Glukoseteststreifen angezeigt wurde). Am Ende haben wir einen Dialysebeutel ohne Jod verwendet, so dass wir die Glukose selbst nachweisen konnten, aber wenn Sie das Labor so durchführen, wie es geschrieben steht, müssen Sie dieses Problem vielleicht berücksichtigen.“
-Jeff Smith, Indiana Academy, Muncie, Indiana. 5.10.99

Labordurchführung mit Sonden und Computern/Rechnern

Frage: „Hat jemand ein ‚einfacheres‘ oder modifiziertes Osmose-Laborverfahren? Eines, das an einem einzigen Tag durchgeführt werden kann?“

Antwort 1: „Verwenden Sie einen großen Korkbohrer und eine große (lange) Kartoffel. Führen Sie den Korkbohrer mit einer Drehbewegung der Länge nach bis zum Anschlag in die Kartoffel ein. Da Sie dies bei mehreren Kartoffeln tun müssen, sollten Sie für jede Kartoffel die gleiche Bohrergröße verwenden. Sie dürfen nicht ganz (oder auch nur annähernd) durch die Kartoffel gehen. Wenn du den Bohrer herausziehst, bleibt das zylindrische Stück an der Kartoffel haften. Wenn Sie jedoch ein Skalpell in das hintere Ende des Kartoffelbohrers stecken und sowohl den Bohrer als auch das Skalpell zusammendrehen, wird sich der Kartoffelzylinder verdrehen und schließlich abbrechen. Ziehen Sie den Bohrer heraus, und der Kartoffelzylinder kommt heraus, so als ob Sie eine Sektflasche zum Platzen bringen. Sie haben nun ein Loch in der Kartoffel, und wenn Sie dies mit mehreren Kartoffeln wiederholen, haben Sie Löcher von EINER GLEICHEN Größe in den Kartoffeln. Spülen Sie die Kartoffeln mit Leitungswasser aus, um die überschüssigen Stärkekörner, die bei diesem groben Verfahren freigesetzt wurden, aus den Löchern zu entfernen. Die Kartoffeln sind nun fertig. Füllen Sie jede mit einer anderen Konzentration von Saccharose auf: 0, 0,2, 0,4, 0,6, 0,8 und 1,0. Verwende einen Stopfen Nr. 2 mit einer umgedrehten Pipette und drehe den Korken vorsichtig in die Kartoffel. Drücke ihn nicht zu fest hinein, sonst reißt die Kartoffel (und ist damit unbrauchbar). Sie sollten eine luftdichte Verbindung erhalten. Ich lege sie normalerweise in ein 600-mL-Becherglas und klebe den Korken fest. Befestigen Sie einen Vernier-Gasdrucksensor (CBL oder computerbasiert) an der Pipette und messen Sie die Druckänderung über einen Zeitraum von 20 bis 30 Minuten. Die Steigung (Druckänderung über die Zeit) ist ein Maß für die Osmoserate. Durch die grafische Darstellung von Konzentration und Steigung kann die Konzentration bestimmt werden, bei der die Steigung gleich 0 ist (d. h., bei der das Wasserpotenzial der Kartoffelzellen dem Wasserpotenzial der Saccharoselösung entspricht). Ich habe das nicht ohne Sonden ausprobiert, aber man kann es auch mit Messpipetten mit sehr engem Durchlass verbinden. Das Verfahren hat einige Probleme, die ich noch zu lösen versuche. Ich kann nicht sagen, dass es immer sauber funktioniert, aber es dauert keine 24 Stunden. Ich habe ein paar Ideen, wie man es besser machen kann.“
-Bob Goodman, Hunter College High School, New York City. 23.10.00

Alternative Laborideen

Ei Osmose Labor

Frage: „Ich habe gehört, dass Lehrer Eier verwenden, um osmotische Prinzipien zu demonstrieren. Hat jemand irgendwelche Laboraktivitäten oder Demos, die sich damit beschäftigen?“

Antwort 1: „Ich habe einen wunderbaren Hinweis auf dieses Labor aus dem Journal of College Science Teaching, Nov. 1985. Ich glaube, das ist eine Veröffentlichung der NSTA? Sie trägt den Titel ‚Osmosis and the Marvelous Membrane‘ (Osmose und die wunderbare Membran) und behandelt die Verwendung von entkalkten Eiern zur Demonstration der Osmose. Ich lasse meine Kinder 48 Stunden lang Eier in Essig entkalken und gebe ihnen dann vier unbekannte Lösungen (destilliert, 0,5 M Saccharose, 1 M Saccharose und 2 M Saccharose). Sie mischen ihre Eier, legen sie in die Lösungen und mischen sie 1,5 Stunden lang alle 10 oder 15 Minuten erneut. Das Labor funktioniert großartig! Es funktioniert auch in einer 45-Minuten-Periode, wenn die Kinder in der Mittagspause oder später zurückkommen, um sie nach dem Unterricht zu massieren. Dann stellen sie die prozentuale Veränderung der Masse im Vergleich zur Zeit dar. Sie müssen auch die Molarität des Eies berechnen; in der Regel kommt etwa 0,8 M heraus.

Der Artikel, auf den ich oben verwiesen habe, empfiehlt die Verwendung von Glukoselösungen, aber ich habe festgestellt, dass Saccharose genauso gut funktioniert und viel billiger ist. In dem Artikel steht auch, dass NaCl-Lösungen seltsame Ergebnisse liefern, was möglicherweise darauf zurückzuführen ist, dass die Salzionen die Membran irgendwie verändern.

Stellen Sie sicher, dass Sie zusätzliche Eier zur Hand haben, denn es gibt immer einen Schüler, der am Ende ein Ei an der Hand hat. Ich habe drei Dutzend Eier über Nacht in eine Gallone Essig gelegt und den Essig am nächsten Tag ausgetauscht. Am dritten Tag waren die Eier einsatzbereit.“
-Franklin Bell, St Mary’s Hall, San Antonio, Texas. 20.10.99

Antwort 2: „Ein weiterer Abstecher mit den Eiern – wenn man die Salz- oder Zuckerbehandlung beendet hat – ist, sie über Nacht in verschiedene Arten von Farbstoff zu legen:

• Methylenblau
• Rit-Farbstoff
• Lebensmittelfarbe

Jedes dieser Färbemittel hat eine andere Diffusionsgeschwindigkeit (diffundiert unterschiedlich tief in das Ei) – kochen und halbieren, um die Unterschiede zu sehen. Allerdings nicht zum Verzehr empfohlen.“
– Pam Tidswell, Rancocas Valley Regional High School, Mt. Holly, New Jersey. 19.10.99

Antwort 3: „Seit 30 Jahren benutze ich das Eierlabor als Superdemonstration oder als individuelle Aktivität. Es verdeutlicht die Funktionsweise unserer eigenen Zellen anhand einer vertrauten tierischen Zelle, die die Schüler sehen können. Die Anweisungen sind sehr einfach. Sie fügen die Chemie, die Drücke usw. hinzu. Weichen Sie ein rohes Hühnerei 24 bis 48 Stunden lang in weißem Essig ein (die billigste Sorte aus dem Supermarkt eignet sich am besten), um die Kalziumkarbonatschale zu entfernen. Die Schale zeigt sofort Korrosion, wobei sich viele kleine Bläschen an der Oberfläche bilden – so bleibt Zeit für eine gute Diskussion über die chemischen Grundlagen und die Wirkung von Säuren und Metallverbindungen. Die Membran kann am Ende dieser Zeit von löslichen Kalziumsalzen bedeckt sein – waschen Sie sie vorsichtig ab, um sie zu entfernen, damit Sie die durchsichtige Membran sehen können. An diesem Punkt wird Ihnen vielleicht klar, dass Sie einige Reserveeier vorbereiten müssen! Trocken tupfen und ausmessen. Möglicherweise möchten Sie noch andere Messungen vornehmen, wie z. B. den Umfang, das Volumen durch Wasserverdrängung usw. Legen Sie das Ei in eine bekannte Menge destilliertes Wasser (150 ml) in einem sauberen 250-ml-Becherglas. Sammeln Sie erneut alle Daten, die Sie für angemessen halten, oder lassen Sie die Schüler ihr eigenes Labor entwerfen (eine Gelegenheit für Konstruktivismus und die 3 P’s). Warten Sie 24 Stunden – über Nacht. Nehmen Sie das Ei vorsichtig heraus; tupfen Sie es trocken und ermitteln Sie die gewonnene Masse als Wasser. Mit dem verlorenen Volumen im Becherglas vergleichen. Osmose durch eine selektiv durchlässige Membran. Die Schüler können das Ei in einer Petrischale aufschlagen und die Konsistenz des Eiweißes beurteilen. Alternativ oder ergänzend kann ein zweites Ei genommen werden. Schale und Masse entfernen. Legen Sie es in 100-prozentigen weißen Karo-Sirup (flüssige Fruktose). Über Nacht stehen lassen. Das Ei herausnehmen, schnell waschen, abtrocknen und massieren. Vergleiche das neue Volumen im Becherglas mit der verlorenen Masse. Wenn die Schüler vorsichtig sind, sollten Sie aufgrund von Dichteunterschieden eine gewisse Schichtung feststellen. Die Ergebnisse sind ziemlich dramatisch und können rückgängig gemacht werden, indem das Ei in destilliertes Wasser gelegt wird. Sie und Ihre Schüler können dieses Labor so kompliziert oder einfach gestalten, wie Sie möchten. Es ist auch ein guter Ort, um die Struktur des Fruchtwassereis zu besprechen.“
-Donna M. Gilbertson, Beloit Memorial High School, Beloit Wisconsin. 10/18/99