Ćwiczenie 2: Właściwości osmotyczne koloidalnych roztworów biopolimerów.

Transkrypt

1 1. Część teoretyczna Właściwości koligatywne Zjawiska osmotyczne związane są z równowagą w układach dwu- lub więcej składnikowych, przy czym dotyczy roztworów substancji nielotnych (soli, polisacharydów, białek) w jednym lub kilku roztworach. Do tej grupy zjawisk zaliczy można obniżenie temperatury krzepnięcia (krioskopię), podwyższeniee temperatury wrzenia (ebulioskopia) rozpuszczalnika, a także ogólnie pojęte ciśnienie osmotyczne. Ciśnienie osmotyczne bardzo często kojarzone jest z aktywności wodną surowców i produktów spożywczych. Istota omawianych zjawisk związana jest ze zmianą prężności (ciśnienia) pary nasyconej, którą wywołuje rozpuszczenie substancji nielotnej. Bardzo często tę właśnie grupę zjawisk określa się mianem koligatywnych czyli spokrewnionych. Powodem takiego zachowania roztworów są oddziaływania pomiędzy cząsteczkami rozpuszczalnika i substancji rozpuszczonej: asocjacja czy tez solwatacja. Zmiana temperatury wrzenia i krzepnięcia jest proporcjonalna do masy cząsteczkowej substancji rozpuszczonej. Pomiar zmian tych charakterystycznych temperatur jest wykorzystywany do wyznaczania masy molowej lub średniej masy cząsteczkowej biopolimeru. Pojęcie ciśnienia osmotycznego (π) odnosi się do zjawiska osmozy, jakie zachodzi pomiędzy roztworem a czystym rozpuszczalnikiem przy założeniu, że są one oddzielone membraną czyli przegrodą przepuszczalną tylko dla cząsteczek rozpuszczalnikaa Z powodu obecności błony dochodzi do przeciwnego w stosunku do klasycznej dyfuzji zachowania cząsteczek. Oto zamiast naturalnego dążenia układu do wyrównania stężenia substancji rozpuszczonej następuje wędrówka cząsteczek rozpuszczalnika do roztworu. Układ dąży do stanu równowagi poprzez zagłuszenie obecności substancji rozpuszczonej w roztworze. Przepływ rozpuszczalnika zachodzi do momentu wyrównania potencjałów chemicznych zarówno rozpuszczalnika jak i substancji rozpuszczonej po obu stronach przegrody. Objawem zjawiska jest wzrost objętości roztworu, powodujący zmniejszenie stężenia substancji nielotnej. Proces osmozy w układzie jest samorzutny, można go zahamować a nawet odwrócić działając zewnętrznym ciśnieniem, większym od ciśnienia jakie panuje po stronie rozpuszczalnika (odwrócona osmoza). Zjawisko osmozy zalicza się do grupy zjawisk koligatywnych, przy czym przypadku krioskopii czy te ebulioskopii analizuje się efekt obniżenia prężności pary nad roztworem w kontekście zmian temperatury wrzenia czy też krzepnięcia. Na zjawisko osmozy można popatrzeć dwojako. Z jednej strony definiuje się je w oparciu o ilość Opracowały: dr hab. inż. Anna Ptaszek, dr in nż. Joanna Kruk Strona 1

2 rozpuszczalnika, która przemieszcza się przez membranę do roztworu powodując jego rozcieńczenie. Stan równowagi osiągany jest w momencie, w którym w roztworze jest tak dużo rozpuszczalnika, ze stężenie substancji rozpuszczonej jest pomijalnie małe. Ale należy również pamiętać, że rozpuszczenie biopolimeru czy tez soli powoduje obniżenie prężności pary nad roztworem. Na przepływ rozpuszczalnika przez membranę można popatrzeć jako na dążenie układu do przywrócenia prężności par charakterystycznych dla czystego rozpuszczalnika. W przypadku roztworów biopolimerów zaobserwować można wiele ciekawych zachowań związanych ze zjawiskami koligatywnymi. Poniższe wykresy ilustrują zależność ciśnienia osmotycznego od stężenia dla roztworów gumy arabskiej i karagenu. Roztwory gumy arabskiej o małych stężeniach (<0,3 g/100ml) charakteryzują się niewielkim powinowactwem do wody i nie posiadają zdolności jej wiązania (zatrzymywania). W przypadku stężeń wyższych od 0.5 g/100ml obserwujemy duże wartości ciśnienia osmotycznego, ponadto zwiększenie stężenia tego biopolimeru powoduje wzrost ciśnienia osmotycznego. Może to oznaczać, że roztwory o dużym stężeniu są zdolne do zatrzymywania dużych ilości wody, ponadto otrzymane wyniki świadczą o dobrej rozpuszczalności gumy arabskiej w wodzie. Roztwory gumy arabskiej nie mają zdolności do żelowania. W przypadku karagenu wzrost stężenia powoduje gwałtowne obniżenie ciśnienia osmotycznego. Im większe stężenie tego biopolimeru tym mniejsza rozpuszczalność w wodzie. Rozpuszczenie karagenu w gorącej wodzie a następnie schłodzenie takiego roztworu powoduje wytworzenie żelu, czyli ciała stałego o uporządkowanej strukturze. Zjawisko to jest konsekwencją niewielkiego powinowactwa tego biopolimeru do wody. Opracowały: dr hab. inż. Anna Ptaszek, dr in nż. Joanna Kruk Strona 2

3 2. Część doświadczalna A) Porównanie wodochłonności roztworów wybranych biopolimerów: pektyny, gumy ksantanowej, inuliny i gumy arabskiej. Rys. 1. Membrany wypełnione roztworami wybranych hydrokoloidów o stężeniu 1 g/100ml przed rozpoczęciem doświadczenia. W każdej membranie znajduje się 5 cm 3 roztworu zgodnie z opisem na zdjęciu. Znajdujące się w butelkach roztwory, wyżej wymienionych hydrokoloidów, należy scharakteryzować wizualnie i porównać między sobą, a spostrzeżenia zapisać (przejrzystość, barwa, lepkość). Założyć rękawiczki ochronne. Następnie wyjąć po kolei z cylindrów miarowych membrany zanurzone w wodzie destylowanej i osuszyć je delikatnie ręcznikiem papierowym. Każdą z membran zawiesić na krawędzi odpowiedniego cylindra (na zewnątrz) i porównać zdolność pochłaniania wody przez badane biopolimery na podstawie zaobserwowanych różnic objętości cieczy znajdujących się w membranach. Początkowa objętość roztworu w membranie (10kDa) - 5 ml. Opracowały: dr hab. inż. Anna Ptaszek, dr inż. Joanna Kruk Strona 3

4 B) Wyznaczenie objętości wchłoniętej wody dla wodnych roztworów wybranych biopolimerów Rys. 2. Membrany wypełnione roztworami biopolimeru o różnych stężeniach. W każdej membranie znajdowało się na początku 5 cm 3 roztworu. Założyć rękawiczki ochronne. Badany roztwór znajdujący się w membranie przelać do cylindra miarowego i odczytać objętość. Czynność powtórzyć dla wszystkich badanych roztworów. roztwór Stężenie, g/100ml Objętość wody, ml biopolimer 1 biopolimer 2 biopolimer 3 Opracowały: dr hab. inż. Anna Ptaszek, dr inż. Joanna Kruk Strona 4

5 3. Przykładowe opracowanie wyników pomiarów: porównanie właściwości osmotycznych wodnych roztworów trzech różnych biopolimerów W poniższej tabeli przedstawiono wyniki pomiarów dla wodnych roztworów trzech różnych hydrokoloidów przechowywanych przez 10 dni, w temperaturze 23ºC, w membranach (10kDa) umieszczonych w cylindrach miarowych o pojemności 1 litra. Objętość wody, ml roztwór Stężenie, g/100ml biopolimer 1 biopolimer 2 biopolimer 3 1 0,050 5,0 2,0 10,0 2 0,100 12,5 3,5 8,5 3 0,200 26,0 2,5 6,0 4 0,500 72,0 2,0 3,5 5 1, ,0 2,5 1,0 Powyższe dane można wykorzystać do sporządzenia wykresów zależności objętości wchłoniętej na drodze osmozy wody od stężenia roztworu. I tak dla pierwszego biopolimeru (rysunek poniżej) widoczny jest wyraźny wzrost objętości wchłoniętej wody wraz ze wzrostem stężenia. Oznacza to, że woda jest dobrym rozpuszczalnikiem dla tego biopolimeru. 120,0 100,0 objętość, ml 80,0 60,0 40,0 20,0 0,0 0,000 0,200 0,400 0,600 0,800 1,000 1,200 c (stężenie), g/100ml Rys 3. Wyniki pomiarów dla roztworów biopolimeru 1. Biopolimer 3 słabo rozpuszcza się w wodzie, jedynie w zakresie niewielkich stężeń (< 0,2 g/100ml) objętość wchłoniętej wody jest duża (reprezentuje duże ciśnienie osmotyczne). Można wnioskować, że woda nie jest dobrym rozpuszczalnikiem dla tego biopolimeru. Opracowały: dr hab. inż. Anna Ptaszek, dr inż. Joanna Kruk Strona 5

6 12,0 10,0 objętość, ml 8,0 6,0 4,0 2,0 0,0 0,000 0,200 0,400 0,600 0,800 1,000 1,200 c (stężenie), g/100ml Rys 4. Wyniki pomiarów dla roztworów biopolimeru 3. Dla biopolimeru 2 nie obserwuje się zależności ciśnienia osmotycznego od stężenia. objętość, ml 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 0,000 0,200 0,400 0,600 0,800 1,000 1,200 c (stężenie), g/100ml Rys 5. Wyniki pomiarów dla roztworów biopolimeru 2. Opracowały: dr hab. inż. Anna Ptaszek, dr inż. Joanna Kruk Strona 6

7 4. Sprawozdanie Specjalność W sprawozdaniu proszę umieścić Tabelkę według wzoru Data wykonania ćwiczenia Temat ćwiczenia Data oddania sprawozdania Numer grupy Imię i nazwisko Ocena Ocenę i datę oddania sprawozdania wpisuje prowadzący. Krótki wstęp teoretyczny dotyczący zjawiska osmozy i właściwości osmotycznych i innych zagadnień związanych z tematem ćwiczenia. Wyniki porównania objętości roztworów pektyny, gumy ksantanowej i arabskiej oraz inuliny. Wykresy zależności przyjętej objętości wody od stężenia roztworów wybranych hydrokoloidów. Dyskusję wyników zawierającą m.in. porównanie właściwości roztworów badanych hydrokoloidów i cel ich stosowania w produktach spożywczych. Źródła literaturowe użytych do obliczeń wielkości fizycznych. Opracowały: dr hab. inż. Anna Ptaszek, dr inż. Joanna Kruk Strona 7