Osmometria. Ćwiczenie laboratoryjne nr 2

Transkrypt

1 Osmometria Ćwiczenie laboratoryjne nr 2 1

2 Zjawisko osmozy Właściwości koligatywne Zjawiska osmotyczne zwi zane s z równowag w układach dwu- lub wi cej składnikowych, przy czym dotycz roztworów substancji nielotnych (soli, polisacharydów, białek) w jednym lub kilku roztworach. Do tej grupy zjawisk zaliczy mo na obni enie temperatury krzepni cia (krioskopi ), podwy szenie temperatury wrzenia (ebulioskopia) rozpuszczalnika, a tak e ogólnie poj te ci nienie osmotyczne. Ci nienie osmotyczne bardzo cz sto kojarzone jest z aktywno ci wodn surowców i produktów spo ywczych. Istota omawianych zjawisk zwi - zana jest ze zmian pr no ci (ci nienia) pary nasyconej, któr wywołuje rozpuszczenie substancji nielotnej. Bardzo cz sto t wła nie grup zjawisk okre la si mianem koligatywnych czyli spokrewnionych. Powodem takiego zachowania roztworów s oddziaływania pomi dzy cz steczkami rozpuszczalnika i substancji rozpuszczonej: asocjacja czy tez solwatacja. Zmiana temperatury wrzenia i krzepni cia jest proporcjonalna do masy cz steczkowej substancji rozpuszczonej. Pomiar zmian tych charakterystycznych temperatur jest wykorzystywany do wyznaczania masy molowej lub redniej masy cz steczkowej biopolimeru. Pomiar ciśnienia osmotycznego Osmometria wydaje si by troch zapomnian technik pomiarow. Pomimo tego i ka dy kurs chemii fizycznej obejmuje podstawy teoretyczne tej metody. Dla technologa ywno ci metoda ta mo e by cennym narz dziem umo liwiaj cym lepsze poznanie wła ciwo ci surowców jak i całych produktów spo ywczych. Poj cie to odnosi si do zjawiska osmozy, jakie zachodzi pomi dzy roztworem a czystym rozpuszczalnikiem przy zało eniu, e s one oddzielone membran czyli przegrod przepuszczaln tylko dla cz steczek rozpuszczalnika (rys. 1). Rys. 1 Idea ci nienia osmotycznego π. Z powodu obecno ci błony dochodzi do przeciwnego w stosunku do klasycznej dyfuzji zachowania cz steczek. Oto zamiast naturalnego d enia układu do wyrównania st enia substancji rozpuszczonej nast puje w drówka cz steczek rozpuszczalnika do roztworu. Układ d y do stanu równowagi poprzez zagłuszenie obecno ci substancji rozpuszczonej w roz- 2

3 tworze. Przepływ rozpuszczalnika zachodzi do momentu wyrównania potencjałów chemicznych zarówno rozpuszczalnika jak i substancji rozpuszczonej po obu stronach przegrody. Objawem zjawiska jest wzrost obj to ci roztworu, powoduj cy zmniejszenie st enia substancji nielotnej. Proces osmozy w układzie jest samorzutny, mo na go zahamowa a nawet odwróci działaj c zewn trznym ci nieniem, wi kszym od ci nienia jakie panuje po stronie rozpuszczalnika (odwrócona osmoza). Zjawisko osmozy zalicza si do grupy zjawisk koligatywnych, przy czym przypadku krioskopii czy te ebulioskopii analizuje si efekt obni enia pr no ci pary nad roztworem w kontekcie zmian temperatury wrzenia czy tez krzepni cia. Na zjawisko osmozy mo na popatrze dwojako. Z jednej strony definiuje si je w oparciu o ilo rozpuszczalnika, która przemieszcza si przez membran do roztworu powoduj c jego rozcie czenie. Stan równowagi osi gany jest w momencie, w którym w roztworze jest tak du o rozpuszczalnika, ze st enie substancji rozpuszczonej jest pomijalnie małe. Ale nale y równie pami ta, e rozpuszczenie biopolimeru czy tez soli powoduje obni enie pr no ci pary nad roztworem. Na przepływ rozpuszczalnika przez membran mo na popatrze jako na d enie układu do przywrócenia pr no ci par charakterystycznych dla czystego rozpuszczalnika. Te dwa spojrzenia znajduj odzwierciedlenie w technikach pomiarowych i budowie urz dze. Obecnie na rynku dost pne s dwa typy osmometrów: membranowe i parowe. Osmometr membranowy zbudowany jest z dwóch komór przedzielonych membran. Rys. 2 Moduł osmometru membranowego Osmomat 090 Gonotec oraz schemat urz dzenia ( Jedn komor wypełnia si czystym rozpuszczalnikiem a drug badanym roztworem. Nast p- nie dokonuje si pomiaru ró nicy ci nie hydrostatycznych pomi dzy komorami. Tego typu urz dzeniami mo na mierzy ci nienia do około 0,1 mmh 2 O co praktycznie pozwala bada roztwory polimerów do masy cz steczkowej około g/mol. Dolny zakres pomiarowy zale ny jest tylko od porowato ci membrany. W przypadku osmometrów membranowych najwi kszym problemem s wła ciwo ci przegrody. Przepuszczalno membrany uzale niona jest od jej budowy: czy ma ona system porów (materiał nieorganiczne), czy te jest sitem mo- 3

4 lekularnym (substancje organiczne) i jest najcz ciej wyra ona najni sz mas cz steczkow substancji jaka membrana przepuszcza (cut-off). W przypadku roztworów biopolimerów o du ej polidyspersyjno ci istnieje mo liwo dyfuzji przez membran frakcji o mniejszej masie cz steczkowej. Je eli jest ona zbli ona do masy rozpuszczalnika to nie wpływa na uzyskan warto ci nienia osmotycznego. Na innej zasadzie pracuje osmometr parowy, gdzie mierzony jest efekt cieplny kondensacji par rozpuszczalnika na kropli czystego rozpuszczalnika i badanego roztworu. Rys. 3 Osmometr parowy firmy Knauer K7000 ( Je eli układ znajduje si w stanie równowagi, to szybko parowania rozpuszczalnika równa jest szybko ci kondensacji (stała temperatura). Je eli w komorze wypełnionej oparami rozpuszczalnika umieszczona b dzie kropla roztworu, to w wyniku ró nicy w pr no ci par dojdzie do wytworzenia ró nicy temperatur. Na powierzchni kropli roztworu nast powa b dzie intensywna kondensacja par rozpuszczalnika co powoduje wzrost temperatury. I wła nie owa ró nica temperatur jest podstaw pomiaru w osmometrze parowym. Przyrz dami tymi mo na dokonywa pomiarów mas cz steczkowych w zakresie około g/mol. Wyznaczanie mas cząsteczkowych i aktywności wodnej Wyniki do wiadcze uzyskanych na drodze pomiaru ci nienia osmotycznego π analizuje si w oparciu o równanie wirialu, które kojarzone s ze stanem gazu rzeczywistego. Pozornie mo e si to wydawa zaskakuj ce, ale zasadno takiego podej cia zwi zana jest z istot oddziaływa pomi dzy cz steczkami. Faza fazowa charakteryzuje si du ymi odległo ciami pomi dzy cz steczkami, które poruszaj c si ruchem chaotycznym zderzaj si ze sob. Wszelkie te zjawiska ujmuje znane równanie wirialu: Wielko ci nosz nazw odpowiednio drugiego i trzeciego współczynnika wirialu i s miar oddziaływa pomi dzy dwiema i trzema molekułami. Równanie to mo na potraktowa jako równanie stanu gazu doskonałego korygowane o składniki sumy, które uwzgl dniaj oddziaływania mi dzycz steczkowe (a wi c rozwini cie funkcji w szereg z matematycznego punktu widzenia). W przypadku roztworów ciekłych mo na dokona podobnej 4

5 interpretacji: molekuły biopolimeru s nieporównywalnie wi ksze od cz steczek rozpuszczalnika. W ten sposób rozpuszczalnik staje si tłem dla substancji rozpuszczonej i w ten sposób uzyskuje si analogi do gazu rzeczywistego. W przypadku ci nienia osmotycznego mo - na zapisa : Współczynniki to drugi i trzeci współczynnik wirialu, to st enie masowe substancji rozpuszczonej natomiast to masa cz steczkowa rozpuszczonego biopolimeru. Współczynniki wirialu s funkcj temperatury i tak jak poprzednio opisuj oddziaływania mi dzycz steczkowe. Du e ujemne warto ci współczynnika wiadcz o tendencji do agregacji cz steczek natomiast warto ci dodatnie o du ym powinowactwie rozpuszczalnika do makrocz steczki czyli o dobrym rozpuszczaniu. W przypadku roztworów rozcie czonych uzyskane wyniki analizuje z uwzgl dnieniem drugiego współczynnika wirialu (rys. 4) Rys. 4. Analiza danych pochodz cych z pomiarów reologicznych Dane do wiadczalne powinny układa si wzdłu prostej, która po ekstrapolacji do zerowego st enia biopolimeru przecina o odci tych w punkcie. Na podstawie metod osmometrycznych mo na okre li nie tylko mas cz steczkow czy te redni liczbow mas cz steczkow polimeru, ale tak e wielko ci nierozerwalnie zwi zane z wła ciwo ciami produktów spo ywczych. Nale y do nich aktywno wodna a. Wielko ta zdefiniowana jest jako stosunek pr no ci pary wodnej nad badanym produktem/roztworem do pr no ci pary wodnej czystej wody w danej temperaturze ( uwa ni Czytelnicy skojarz t wielko z wilgotno ci wzgl dn ϕ). Osmometrycznie pomiaru mo na dokona zarówno przy u yciu osmometru membranowego jak i parowego. W przypadku osmometru membranowego metoda ograniczona jest roztworów o znanej strukturze. W przypadku pomiarów z wykorzystaniem osmometru parowego zale no opisuj ca logarytm aktywno ci wodnej przestawia si nast puj co: 5

6 ln ( a ) 1 VM 1 = 1000I gdzie V oznacza ró nic napi pomi dzy czujnikami temperatury umieszczonymi przy kropli rozpuszczalnika i badanego roztworu, M 1 masa cz steczkowa rozpuszczalnika, I stała kalibracyjna zale na od temperatury. Literatura: Tadeusz Drapała Chemia fizyczna z zadaniami WNT Praca zbiorowa Chemia fizyczna PWN 1963 Pomiar ciśnienia osmotycznego Celem wiczenia jest pomiar ci nienia osmotycznego roztworów lizozymu białka jaja kurzego w dwóch temperaturach. Otrzymane wyniki posłu do wyznaczenia redniej masy cz - steczkowej oraz warto ci drugiego współczynnika wirialu. Pomiary wykonane zostan za pomoc osmometru membranowego Osmomat 090 firmy Gonotec. Rys. 5 Stanowisko pomiarowe w laboratorium. Przygotowanie roztworów lizozymu 1. Sporz dzi w butli (Simex) o pojemno ci 1L roztwór NaCl o st eniu 9g/L. 2. Do pi ciu butelek Simax o pojemno ci 100mL nawa y odpowiednio 320mg, 280mg, 220mg, 200mg, 160mg lizozymu. Dokładn mas zanotowa. Do ka dej z butelek wla za pomoc miarowej pipety 100mL roztworu soli. 3. Przygotowane w butelkach roztwory wytrz sa w temperaturze otoczenia przez 0,5-1h 4. wymieszane roztwory przefiltrowa. Filtrat zlewa do nowych i opisanych butelek Po przygotowaniu roztworów (i przefiltrowaniu) nale y okre li rzeczywiste st enie białka. W tym celu dokonane zostan pomiary absorbancji promieniowania o długo ci 280nm (metoda bezwzgl dna) w spektrofotometrze 5. do butelek o pojemno ci 100mL (opisanych!!!) wykona rozcie czenia roztworów wyj ciowych. Rozcie cza nale y odpowiednim roztworem soli!!! Rozcie czone roztwory posłudo pomiaru rzeczywistego st enia w 280nm. 6