Metod_Medical_chem_1_Stomat

ІІ. Обговорення результатів роботи та зарахування теми.

Заняття № 10

Тема: Адсорбційні процеси та іонний обмін в біосистемах. Хроматаграфія

Значення матеріалу теми. На великій поверхні розділу фаз у живому організмі ( 15000 м2) відбуваються процеси обміну, синтезу, адсорбції, десорбції, ферментативні реакції та інші процеси, пов’язані з життєдіяльністю організму.

Величина поверхневого натягу належить до фізико-хімічних констант, а її зміна має діагностичне значення.

Адсорбція різних речовин елементами крові та протоплазмою клітин впливає на обмін речовин, тому при лікуванні гострих отруєнь важливе місце займає адсорбційна терапія і гемосорбція. Використання імуносорбентів, ентеросорбентів дає змогу виводити з організму антитіла, бактеріальні токсини та інші антигени, зменшувати мікробну інтоксикацію.

Іонообмінна адсорбція – це основа дії ферментів біологічних мембран. За допомогою іонообмінників одержують іонітне молоко для дитячого харчування, знесолену воду тощо.

Адсорбційна хроматографія – це важливий метод розділення, очищення і виділення багатьох лікарських речовин (антибіотиків, вітамінів, білків, гормонів); очищення і регенерації стічних вод; кількісного визначення забруднювачів зовнішнього середовища (шкідливих газів і парів, токсичних речовин, пестицидів).

Мета заняття. Вивчити закономірності процесів сорбції, їх медикобіологічне значення. Навчитись на практиці застосовувати теоретичні положення вчення про адсорбцію, оволодіти методами дослідження адсорбції на межі рідина-газ, рідина-рідина. Вміти кількісно визначати поверхневий натяг на межі рідина-газ за методом Ребіндера та вираховувати адсорбцію за рівнянням Гібса.

Навчитись кількісно визначати адсорбцію речовин із розчинів твердими адсорбентами (активованим вугіллям, цеолітами). За експериментальними даними побудувати ізотерму адсорбції і знайти константи у рівнянні Фрейндліха.

Форма заняття: лабораторно-практичне.

61

Домашня підготовка до заняття

І. Засвоїти матеріал навчальної програми.

Поверхневі явища та їх значення в біології та медицині. Поверхневий натяг рідин та розчинів. Ізотерма поверхневого натягу. Поверхнево-активні та поверхнево-неактивні речовини. Поверхнева активність. Правило ДюклоТраубе.

Адсорбція на межі поділу рідина-газ та рідина-рідина. Рівняння Гіббса. Орієнтація молекул поверхнево-активних речовин у поверхневому шарі. Уявлення про структуру біологічних мембран. Адсорбція на межі поділу тверде тіло-газ. Рівняння Ленгмюра. Адсорбція із розчину на поверхні твердого тіла. Фізична та хімічна адсорбція. Закономірності адсорбції розчинених речовин, парів та газів. Рівняння Фрейндліха.

Фізико-хімічні основи адсорбційної терапії (гемосорбція, плазмосорбція, лімфосорбція, ентеросорбція, аплікаційна терапія). Імуносорбенти.

Адсорбція електролітів: специфічна (вибіркова) та іонообмінна. Правило Панета-Фаянса. Іонообмінники природні та синтетичні. Роль адсорбції та іонного обміну в процесах життєдіяльності рослин і організмів.

Хроматографія. Класифікація хроматографічних методів аналізу за ознакою агрегатного стану фаз, техніки виконання та механізму розподілу. Адсорбційна, іонообмінна та розподільча хроматографія. Застосування хроматографії в біології та медицині.

ІІ. Дати письмові відповіді на контрольні запитання.

1.Дати визначення понять: вільна поверхнева енергія, поверхневий натяг, поверхнева активність.

2.Які речовини належать до поверхнево-активних (ПАР) і поверхневоінактивних (П-ін-АР)? Навести приклади.

3.У чому особливості будови ПАР?

4.Як орієнтуються молекули ПАР на поверхневому шарі? Сформулюйте правило Травбе.

5.Записати рівняння Гібса і зробити його аналіз.

6.Навести ізотерми поверхневого натягу і адсорбції ПАР на межі рідинагаз і дати їх пояснення.

7.З’ясувати структуру біологічних мембран.

1.Дайте визначення понять: адсорбент, адсорбтив, адсорбат, десорбція, хемосорбція.

2.Назвіть найважливіші пористі і непористі адсорбенти. Що таке питома поверхня? На чому базується використання в медицині активованого вугілля?

62

3.Суть фізичної та хімічної адсорбції газів твердими адсорбентами; залежність їх від різних факторів.

4.Основні положення мономолекулярної адсорбції Ленгмюра. Рівняння і ізотерма адсорбції, їх аналіз.

5.Адсорбція на межі поділу тверде тіло-розчин і фактори, від яких вона залежить.

6.Рівняння та ізотерма адсорбції Фрейндліха. Графічне знаходження констант у рівнянні Фрейндліха.

7.Молекулярна та іонна (вибіркова та іонообмінна) адсорбція. Правило вирівнювання полярності Ребіндера. Правило Панета-Фаянса. Застосування іонообмінників.

8.Суть хроматографії, її види (за механізмом процесу, за технікою виконання, за природою фаз) та застосування.

III.Розв'язати задачі.

а) Алгоритм розв'язання типових задач

Задача 1. Вирахувати поверхневий натяг водного розчину жовчі, якщо в установці Ребіндера на його поверхні та над чистою водою бульбашки повітря із капіляра розриваються при тисках відповідно 24 та 38 мм водяного стовпа. Поверхневий натяг чистої води при 18

0С s0 = 73×10–3 Дж/м2.

Алгоритм розв’язання

1.Знайдемо константу К для капіляра:

К= s0 : р0 = 73×10–3 Дж/м2 : 34 мм вод.ст. = 1,92×10–3 Дж / м2× мм вод.ст.

2.Обчислимо поверхневий натяг (s) для розчину жовчі:

s = К×р = 1,92×10–3 Дж / м2× мм вод.ст. × 24 мм вод.ст. = 46×10–3 Дж/м2.

Задача 2. Визначити величину та знак адсорбції ацетону при 17 0С на поверхні його водного розчину, в якому 5 мл ацетону перебувають у рівновазі з 995 мл води. Поверхнева активність розчину Ds/DС = –1,4 ×10–4 Дж×м/моль. Густина чистого ацетону СН3СОСН3 r = 0,79 г/мл. R = 8,314 Дж/моль×К. М = 58 г/моль.

Алгоритм розв’язання.

1. Знаходимо загальний об’єм розчину V:

V = 995 + 5 = 1000 мл (1 л).

2.Переведемо об’єм ацетону в його масу (m) та кількість молів (n): n = m/M = V×r/M = (5 мл × 0,79 г/мл) : 58 г/моль = 0,0681 моль

3.Концентрація ацетону становить:

С= 0,0681 моль/л = 68,1 моль/м3.

4.Визначимо адсорбцію Гібса:

63

	Г =	C	×	Ds = [– 68,1 : (8,314 × 290)] × (– 1,4 ×10–4 ) ;
		R T
				DC
				Г = + 3,95×10–6 моль/м3.

Задача 3. Активна поверхня активованого вугілля досягає 1000 м2 на 1 г вугілля. Обчислити, скільки грамів фосгену COCl2 поглинається 10 м2 вугілля, якщо його адсорбційна здатність складає 440 мл фосгену (н.у.) на 1 г вугілля.

Алгоритм розв’язання 1. Обчислюємо масу вугілля, що має поверхню 10 м2:

1 г вугілля –––		1000	м2
х г	–––	10	м2

х= 0,01 г вугілля

2.Який об’єм фосгену поглинає 0,01 г вугілля?

1 г С	–––	440 мл COCl2
0,01 г С	–––	х мл

х= 4,4 мл = 4,4×10–3 л

3.Обчислюємо масу фосгену об’ємом 4,4×10–3 л

М(COCl2) = 99 г/моль, V(m) = 22,4 л = 22,4 дм3

х= (4,4×10–3 ×99) : 22,4 = 19,45×10–3 г = 0,01945 г = 19,45 мг.

Задача 4. До 100 мл розчину СН3СООН певної концентрації при 295 К додали 3 г активованого вугілля. При титруванні 25 мл розчину кислоти до і після адсорбції витрачено відповідно 22,25 і 14,40 мл 0,1 н. розчину NaOH. Обчислити величину адсорбції оцтової кислоти (в г) на 1 г вугілля.

Алгоритм розв’язання
Дано:	1. Різниця між об’ємами NaOH до і після адсорбції
V (к-ти) = 25 мл	еквівалентна об’єму адсорбованої кислоти:
V1 (NaOH) = 22,45 мл			V1 – V 2 = 22,45 – 14,40 = 8,05 мл .
V2 (NaOH) = 14,40 мл	2. За цим об’ємом обчислюємо нормальність
С (NaOH) = 0,1	адсорбованої кислоти:
N (к-ти) – ?			С(к - ти) = С(NaOH) × V(NaOH) =
			V(к - ти)
			=(0,1×8,05):25 = 0,0322 моль-екв/л
3. Обчислюємо масу	адсорбованої оцтової кислоти із 100 мл розчину
(М (СН3СООН) = 60) :			0,0322 моль-екв/л = (0,0322×60) г
1000 мл р-ну		––
100 мл р-ну		––	х г

х= 0,1932 г

4)Обчислюємо адсорбцію на 1 г вугілля:

64

Г = х/m = 0,1932 : 3 = 0,0644 г

Задача 5. Обчислити рівноважну концентрацію оцтової кислоти в кмоль/дм3 за рівняням Фрейндліха, якщо величина адсорбції дорівнює 0,012 кмоль/дм3, а константи K і n відповідно дорівнюють) 0,25 і 3,1.

Дано:

1. За рівнянням Фрейндліха величина адсорбції

x/m = 0,012 кмоль/дм3

x

1

K = 0,25

Г=

=

К×Сріnвн. ;

1/n = 1 : 3,1 » 0,32

n = 3,1

m

0,012 = 0,25 × С0,рівн32

. ,

звідки С0,рівн32

. = 0,048

Cрівн. – ?

2. Логарифмуючи ліву і праву частину рівняння, одержимо вираз:

lg С0,32

= lg 0,048, звідси

0,32 lg C

= lg 0,048

рівн.

рівн.

lg Срівн. =

lg 0,048

=

-1,3188

=-4,1213

0,32

0,32

Срівн = alg (–4,1213) = alg (–5 + 0,8787) = = 7,57×10–5 » 8 ×10–5 кмоль/дм3.

б) Задачі для самостійного розв’ язання

1.Яка буде адсорбція амінопропіонової кислоти H2N–CH 2–CH 2–COOH, якщо в такому ж розведеному розчині й температурі, якщо її гомолог амінооцтова кислота створює адсорбцію 1,24×10–6 моль/м2 ?

Відповідь: 4×10–6 моль/м2.

2. Вирахувати поверхневу активність водного розчину анальгіну для ін’єкцій, якщо на його поверхні адсорбується 1,56×10–6 моль/м2 при 20 0С і рівноважній концентрації 0,209 моль/л. R = 8,314 Дж/моль×К.

Відповідь: Ds/DС = –1,82 ×10–6 Дж×м/моль.

3.Яку площу займає кожна молекула мила пальмітату натрію на поверхні розчину при граничній адсорбцій в насиченому мономолекулярному шарі

6,64×10–6 моль/м2 ?

Відповідь: 25×10–20 м2.

4.Знайти адсорбцію Гібса для CaCl2 на поверхні 10 % розчину для ін’єкцій, якщо його густина дорівнює 1,084 г/мл, а поверхнева активність при 30 0С

+3,98×10–3 Дж×м/моль. R = 8,314 Дж/моль×К.

Відповідь: –1,54 ×10–6 моль/м2.

5.Обчислити рівноважну концентрацію аскорбінової кислоти (в ммоль/дм3) за рівнянням Фрейндліха, якщо 1 г активованого вугілля адсорбує 3,76

ммоль цієї речовини, а константи K і n відповідно дорівнюють 2,82 і 2,44. Відповідь 2,02.

65

6.До 200 г розчину СН3СООН певної концентрації при 295 К додали 5 г активованого вугілля. При титруванні 10 м3 розчину кислоти до і після адсорбції витрачено 18,25 і 13,45 мл 0,1 н. розчину NaOH. Обчислити

величину адсорбції СН3СООН в г на 1 г вугілля. Відповідь 0,115 г.

7.Обчислити величину максимальної адсорбції в моль/м2 за рівнянням Ленгмюра, якщо при рівноважній концентрації 0,03 моль/дм3 величина

адсорбції дорівнювала 6 ×10–3 моль/м2, а К = 0,8. Відповідь 0,166 моль/м2.

ЛІТЕРАТУРА

1.Мороз А.С., Ковальова А.Г. Фізична та колоїдна хімія. – Львів: Світ, 1994.

– С.163-174.

2.Евстратова К.И., Купина Н.А., Малахова Е.Е. Физическая и коллоидная химия. – М.: Высшая школа, 1990. – С.302-311; 320-325.

Зміст і методика проведення заняття

І. Уточнення і пояснення незрозумілих питань теми та перевірка домашньої підготовки студентів.

ІІ. Пояснення методики виконання лабораторної роботи: визначення поверхневого натягу на приладі Ребіндера.

ІІІ. Лабораторна робота.

Завдання 1. Визначити вплив числа атомів вуглецю у вуглеводневих радикалах на поверхневий натяг розчинів ПАР.

Хід роботи

Для визначення поверхневого натягу за методом Ребіндера необхідно знайти постійну К для капіляра приладу (рис.). Метод Ребіндера (метод максимального тиску бульбашок) полягає в наступному.

1.У посудину 1 (див.рис. 1) наливають дистильовану воду. Попередньо треба добре промити капіляр 2 водою з водопроводу, а потім ще дистильованою водою.

2.Посудину 1 щільно закривають корком зі вставленим у нього капіляром 2. При цьому кінець капіляра повинен тільки змочуватись меніском рідини.

3.Посудину 1 вміщують у термостат і з’єднують з манометром 3 та аспіратором 4.

4.Відкривають кран 5 і дають воді повільно крапати з аспіратора. При цьому в посудині 1 виникає розрідження, при якому крізь рідину (розчин)

66

проскакує бульбашка повітря. Бульбашки повинні відриватись від капіляра 2 рівномірно, майже через кожні 10 секунд.

1

					50
					40
					30
					20
					0				0
									20
					2				30
									40
											50

3
h																							4
																							5

Рис. Схема приладу Ребіндера

Тиск Р дорівнює різниці між тиском зовнішнім (атмосферним) і тиском у посудині 1 та пропорційний поверхневому натягу s = КР, де К – постійна для даного капіляра величина. Оскільки для води є табличні дані з поверхневого натягу при різних температурах (див.табл.1), тому постійну К визначають з її допомогою.

						Таблиця
	Поверхневий натяг води при різних температурах
t 0C		sводи (Дж/м2)×103		t 0C	sводи	(Дж/м2)×103
15		73,5		21		72,6
16		73,3		22		72,4
17		73,2		23		72,3
18		73,0		24		72,1
19		72,9		25		72,0
20		72,8		26		71,8

5.Розрахунок К проводимо за рівнянням: К = sводи : Рводи. Розрахунок поверхневого натягу інших рідин і розчинів проводимо згідно з

рівняннями: s = К×Р або s = s			×	Pp −н y	.
	H	2 O		PH 2 O

6. Для виконання завдання лабораторної роботи необхідно визначити методом Ребіндера поверхневий натяг 5-х розчинів різних спиртів

67

(СН3ОН, С2Н5ОН, С3Н7ОН, С4Н9ОН, С5Н11ОН) з однаковими концентраціями (0,1 моль/л), почавши з метанолу. Для кожного розчину

визначити тиск за різницею рівнів рідини (води) у трубках (колінах) рідинного манометра не менше 3-х разів. Одержані результати занести в табл. 1.

Таблиця 1 Результати визначення поверхневого натягу 0,1 М розчинів спиртів

	n, число	Формула	Р, мм вод.стовпа.	σ, ×10–3 Н/м.
	атомів С у		Тиск (різн.рівнів)	Поверхневий
		спирту
	молекулі			натяг
	1	СН3ОН
	2	С2Н5ОН
	3	С3Н7ОН
	4	С4Н9ОН
	5	С5Н11ОН

7.За даними табл. 1 побудувати графік: залежність поверхневого натягу розчину σ (вісь ординат) від числа атомів С у молекулі спиртів (вісь абсцис). Через експериментальні точки провести пряму лінію.

8.Коротко описати хід роботи. У висновку вказати на прямолінійний спад поверхневого натягу розчину зі збільшенням довжини вуглеводневих ланцюгів.

Завдання 2. Вивчити вплив концентрації ПАР на поверхневий натяг розчинів.

Хід виконання

1.Аналогічно до попереднього завдання методом Ребіндера визначити максимальні тиски у бульбашках повітря для кожного з 4-х розчинів ізобутилового (або ізоамілового) спирту з такими концентраціями

(моль/л): 0,025; 0,05; 0,1 і 0,2. Почергово наливати у посудинку 1 кожен із розчинів, починаючи з найменшої концентрації.

2.Маючи числове значення константи капіляра (із завдання 1), розрахувати поверхневий натяг для кожного з розчинів. Одержані результати звести у табл. 2.

				Таблиця 2
Поверхневий натяг розчинів ... спирту з різними концентраціями
№	Рідина	С, моль/л.	Р, мм вод.стовпа.	σ, ×10–3 Н/м.
результ.		Концентр. спирту	Тиск (різн.рівнів)	Поверхнев.
				натяг
		68

1	вода	0
2	розч. спирту	0,025
3	розч. спирту	0,05
4	розч. спирту	0,1
5	розч. спирту	0,2

3.З результатами табл. 2 побудувати графік – ізотерму поверхневого натягу. Для цього на осі абсцис відкласти концентрацію, вибравши відповідний відрізок для найбільшої концентрації (0,2 М). Шляхом поділу навпіл цього, а потім наступних менших відрізків відкладати відповідні концентрації: 0,1; 0,05 і 0,025 М. Розставивши усі експериментальні точки, провести плавну криву лінію.

4.Коротко описати хід роботи, подати табл. 2 та одержаний графік. У висновку вказати, як змінюється поверхневий натяг розчину зі збільшенням концентрації ПАР.

Завданння 3. Визначення адсорбції оцтової кислоти активованим вугіллям.

Хід роботи

1.Приготувати розчини оцтової кислоти різної концентрації. Попередньо розрахувати кількість вихідного розчину і води, які потрібно взяти, щоб одержати необхідний для роботи об’єм кислоти (таблиця 3).

					Таблиця 3
	Приготування розчинів оцтової кислоти
	Необхідно		Взято, мл
№№	приготувати	Розведення	вихідного р-ну
п/п	розчин	вихідного розчину	СН3СООН		води
	СН3СООН, мл
1	50	2
2	56	4
3	64	8
4	64	16

Розрахунки перевіряють у викладача. Вихідний розчин оцтової кислоти треба розвести у 2, 4, 8 та 16 разів. Розчин кислоти міряють піпетками, воду – циліндром.

2.Щоб визначити концентрацію виготовлених розчинів кислоти, їх треба титрувати 0,1 М NaOH у присутності фенолфталеїну до появи слаборожевого забарвлення. Для цього з колб 1, 2, 3, 4 відбирають в інші

69

колби стільки мл, щоб у кожній з перших колб залишилось по 40 мл розчину. Кожну відібрану порцію титрують 0,1 М NaOH (уважно і обережно!). Розрахунок концентрації кислоти (в ммоль/мл) у розчинах до адсорбції проводимо, користуючись рівнянням:

	Ск × Vк = Сл × Vл , звідки: C к =				Сл × Vл	.
					Vк
	Одержані значення заносимо в таблицю 4.
								Таблиця 4
	Об’єм кислоти	Пішло на титрування						к		x
№№	взятий для				Ск			Срівн.	Г =
										m
п/п	титрування	до	після	ммоль/мл				ммоль/мл	ммоль/г
		адсорбції	адсорбції
1	10
2	16
3	24
4	24

3.Внести одночасно в кожну колбу з 40 мл розчину кислоти по 1,0 г активованого вугілля (або іншого виданого викладачем адсорбенту) та перемішувати розчин з вугіллям протягом 20 хвилин.

4.Після перемішування профільтрувати розчини у чисті колби через сухий фільтр. Перші мл фільтрату відкидаємо.

5.Визначаємо концентрацію оцтової кислоти після адсорбції. Для цього з кожної колби відбираємо фільтрат у такій кількості мл, як і до адсорбції: з колби № 1 – 10 мл; з колби № 2 – 16 мл; з колби № 3 – 24 мл; з колби № 4 – 24 мл. Титруємо 0,1 М NaOH. Дані заносимо в таблицю 4. Розрахунок концентрації кислоти у розчинах після адсорбції проводимо згідно з рівняннями:

Срівнк	. × Vк = Сл × Vл ; C рівнк	.	=	Сл × Vл	(ммоль/л).
				Vк

6. Адсорбцію оцтової кислоти на вугіллі розраховуємо за рівнянням:

Г = x = (Ск - Скрівн.

) × V , де

		m	m
Ск –	вихідна концентрація оцтової кислоти (ммоль/мл);
Ск		– рівноважна концентрація оцтової кислоти у тих же одиницях;
рівн.

Vк – об’єм розчину оцтової кислоти, взятий для адсорбції, мл; m – маса адсорбенту, 1 г;

70