WŁAŚCIWOŚCI KOLIGATYWNE ROZTWORÓW

Transkrypt

1 Ćwiczenie nr 1 WŁAŚCIWOŚCI KOLIGATYWNE ROZTWORÓW Zasada: Jeżeli dwa roztwory: czysty rozpuszczalnik i roztwór danego składnika rozpuszczonego w rozpuszczalniku zostaną oddzielone półprzepuszczalną membraną (przepuszczającą cząsteczki rozpuszczalnika zaś nie przepuszczającą cząsteczek substancji rozpuszczonej), a w układzie panuje jednakowa temperatura, to można zaobserwować zjawisko osmozy. Polega ono na powolnym przepływie rozpuszczalnika do roztworu, oddzielonego półprzepuszczalną membraną. Przepływ rozpuszczalnika można powstrzymać działając na roztwór ciśnieniem zewnętrznym większym od ciśnienia panującego w części układu w którym znajduje się rozpuszczalnik i nosi ono nazwę ciśnienia osmotycznego. Roztwór sam przez się, nie wykazuje ciśnienia osmotycznego pojawia się ono dopiero w układzie złożonym z roztworu, rozpuszczalnika i przegrody półprzepuszczalnej, która je oddziela. Osmoza jest bardzo powszechnym zjawiskiem w biologii przykładem najważniejszym jest transport płynów do komórek przez błonę komórkową. Osmoza stanowi podstawę osmometrii metody pozwalającej określić masę molową makrocząsteczek poprzez pomiar ciśnienia osmotycznego w warunkach izotermicznych. W urządzeniach służących do pomiaru zjawiska osmozy, osmometrach, rozpuszczalnik przenikający do wnętrza odwróconego lejka, powoduje wznoszenie się roztworu w skierowanej ku górze kapilarze (rys.1). A B C Rys.1 Układ doświadczalny do wyznaczania ciśnienia osmotycznego substancji B gdzie C-błona półprzepuszczalna, A rozpuszczalnik, h wysokość proporcjonalna do ciśnienia osmotycznego).

2 Pojawiające się ciśnienie hydrostatyczne (przeciwstawne do osmotycznego) wynika z obecności słupa cieczy, który powstaje w wyniku osmozy. Gdy ciśnienie hydrostatyczne słupa cieczy zrówna się z ciśnieniem osmotycznym, w układzie zostaje osiągnięty stan równowagi. Samorzutność osmozy można wytłumaczyć korzystając z równań termodynamicznych wiedząc, że w rozpatrywanym przez nas układzie w stanie równowagi potencjał chemiczny rozpuszczalnika musi być jednakowy po obu stronach membrany. Początkowo w układzie zachodzi samorzutny proces osmozy polegający na przejściu rozpuszczalnika przez półprzepuszczalną błonę z miejsca o wyższym potencjale chemicznym do miejsca, w którym ma on niższą wartość. Jest to związane ze zmniejszeniem się entalpii swobodnej układu (G). Potencjał chemiczny substancji rozpuszczonej w roztworze, po stronie czystego rozpuszczalnika pod ciśnieniem p jest równy μ * A (p). W stanie równowagi potencjał chemiczny rozpuszczalnika jest taki sam po obu stronach membrany, zarówno wtedy gdy rozpuszczalnik występuje jako czysty składnik, jak i wtedy, kiedy jest w roztworze (1) Z równania wynika, że po stronie roztworu wartość potencjału chemicznego maleje ze względu na obecność substancji rozpuszczonej powodującej obniżenie ułamka molowego czystego rozpuszczalnika (XA). W związku z powyższym potencjał chemiczny rozpuszczalnika w roztworze rzeczywistym przedstawia równanie uwzględniające obecność substancji rozpuszczonej: (2) Natomiast kolejne równanie uwzględnia wpływ ciśnienia panującego w roztworze na wartości potencjału chemicznego rozpuszczalnika. Ciśnienie to rośnie o wartość ciśnienia osmotycznego Π (3) gdzie Vm jest objętością molową czystego rozpuszczalnika, dp to różnica wartości ciśnienia wywieranego na dwie fazy ciekłe po obu stronach błony. Łącząc ze sobą powyższe równania otrzymujemy zależność:

3 (4) dla roztworów rozcieńczonych ln XA = ln (1- XB), co w przybliżeniu daje - XB (ułamek molowy substancji rozpuszczonej). Zakładamy również, że granice ciśnienia są na tyle małe, że objętość molowa rozpuszczalnika pozostaje stała (5) Dla roztworów rozcieńczonych XB = nb /na, dodatkowo Vm = V/nA. W przypadku rozcieńczonych roztworów ciśnienie osmotyczne jest opisane równaniem van t Hoffa (6) gdzie CB = nb /V, jest stężeniem molowym substancji rozpuszczonej. Równanie van t Hoffa dobrze opisuje ciśnienie osmotyczne tylko bardzo rozcieńczonych roztworów. Dla roztworów rzeczywistych w powyższym wzorze należy uwzględnić aktywności jonów, na jakie dysocjuje substancja rozpuszczona. Jednostką ciśnienia osmotycznego jest paskal (Pa) w praktyce stosujemy jednostki osmol/kg lub mosmol/kg rozpuszczalnika. Ponieważ ciśnienie osmotyczne jest stosunkowo duże i łatwo mierzalne, stosując równanie van t Hoffa można obliczyć masy cząsteczkowe makrocząsteczek (białek, polimerów) w roztworach rozcieńczonych. Zasada działania przyrządu Os 3000 Os 3000 to automatyczny, mikroprocesorowy przyrząd służący do pomiaru ciśnienia osmotycznego roztworów z cyfrowym odczytem spadku temperatury krzepnięcia i osmolalności. Używany w ćwiczeniu osmometr dokonuje pomiaru temperatury przy pomocy półprzewodnika metalicznego. Za chłodzenie próbki odpowiedzialny jest układ termoelektryczny Peltiera umieszczony w termostacie. Obniżenie temperatury krzepnięcia roztworu względem czystego rozpuszczalnika jest proporcjonalne do osmolarności roztworu. Obniżenie temperatury krzepnięcia roztworu o 1,86 o C względem rozpuszczalnika odpowiada ciśnieniu osmotycznemu równemu jednemu osmolowi/kg rozpuszczalnika.

4 Ia. Zjawisko osmozy Obowiązujący materiał: pojęcie osmozy i ciśnienia osmotycznego, właściwości ciśnienia osmotycznego, osmotyczność i toniczność, roztwór: izotoniczny, hipertoniczny, hipotoniczny; Sprzęt i materiały: woreczek dializacyjny (błona półprzepuszczalna) zlewka o pojemności 400 cm 3 korek z krótką rurką cylinder 50 cm 3 nitka statyw metalowy z łapą marker Odczynniki: woda destylowana (ph~ 6-7) 40% roztwór sacharozy zakwaszony HCl o stężeniu 1 mol/l (ph roztworu = 4,5) 0,2% roztwór czerwieni metylowej Wykonanie: Uwaga! Woreczek dializacyjny należy zanurzyć w wodzie destylowanej na ok. 10 min. przed rozpoczęciem ćwiczenia. a) Do 40% roztworu sacharozy o ph = 4,5 dodać 2-3 krople czerwieni metylowej. b) Do woreczka dializacyjnego wlać (przy użyciu cylindra) 20 cm 3 zabarwionego czerwienią metylową 40% roztworu sacharozy. Zamknięcie woreczka od góry powinien stanowić korek z rurką (woreczek przymocowujemy do korka obwiązując go mocno nicią). c) Tak przygotowany woreczek z roztworem umieścić w łapie statywu i całkowicie zanurzyć w dużej zlewce z wodą. d) Zaznaczyć początkowy poziom cieczy w rurce wystającej z korka. e) Obserwować zmianę poziomu cieczy w rurce oraz zmianę zabarwienia roztworu sacharozy.

5 Opracowanie wyników: 1. W opisie ćwiczenia należy wyjaśnić, czym spowodowany był wzrost poziomu cieczy w rurce i zmiana barwy roztworu. Ib. Wyznaczanie masy molowej metodą pomiaru ciśnienia osmotycznego Sprzęt i materiały: osmometr Marcel os 3000, woda dejonizowana pipeta automatyczna ( l), końcówki plastikowe probówki plastikowe, poj. 1,5 ml Odczynniki: 0,1M roztwory NaCl, Na2SO4 oraz glukozy roztwory 2 aminokwasów o stężeniu 10 g/dm 3 Wykonanie: a) Korzystając z osmometru Marcel os 3000 zmierzyć dwukrotnie wartość ciśnienia osmotycznego (Π) roztworów: NaCl, Na2SO4, glukozy oraz 2 substancji niedysocjujących o nieznanej masie molowej. Otrzymane wartości wyrazić w Pa (1 mosm/kg H2O = 2270 Pa). Policzyć wartości średnie. Zinterpretować wartości otrzymane z pomiaru osmometrycznego. b) Wiedząc, że stężenie roztworu niedysocjującej substancji wynosi 10 g/dm 3, obliczyć masę molową tej substancji (podstawić wartość Π wyrażoną w Pa: 1 Pa = 1 N/m 2 ). Na podstawie obliczonej masy molowej dokonać identyfikacji badanych substancji, zakładając, że są one aminokwasami. Przykładowe aminokwasy i ich masy molowe: glicyna 75, alanina 89, seryna 105, prolina 115, tryptofan 204. Ic. Sztuczna komórka Traubego Zasada: Komórka Traubego, zwana też sztuczną komórką została stworzona przez Moritza Traube, w połowie XIX w., dla badania procesów zachodzących w żywych komórkach, w tym osmozy. Posiada ona właściwości błony półprzepuszczalnej: pozwala na swobodny przepływ wody i małych jonów, zatrzymuje zaś większe cząsteczki. Membrana zbudowana jest z heksacyjanożelazianu (II) miedzi (II) i powstaje wg reakcji: 2CuSO4 + K4[Fe(CN)6] 2K2SO4 + Cu2[Fe(CN)6].

6 Wewnątrz komórki panuje duże stężenie K4[Fe(CN)6], który nie może dyfundować na drugą stronę membrany. Woda i CuSO4 mogą się natomiast przemieszczać do środka komórki. Sprzęt i materiały: probówki szklane pipeta automatyczna ( l), końcówki plastikowe zlewki Odczynniki: kryształki K4[Fe(CN)6] roztwory: 0,25 M CuSO4, 0,5 M K4[Fe(CN)6] Wykonanie: a) Z roztworu K4[Fe(CN)6] metodą rozcieńczeń sporządzić w zlewkach: 1. 2 cm 3 0,25 M K4[Fe(CN)6] 2. 2 cm 3 0,125 M K4[Fe(CN)6] 3. 2 cm 3 0,06 M K4[Fe(CN)6] 4. 2 cm 3 0,03 M K4[Fe(CN)6] b) Do 6 podpisanych probówek wlać po ok. 5 cm 3 0,25 M CuSO4. c) W probówce oznaczonej numerem 1 umieścić niewielki kryształek K4[Fe(CN)6]. Do probówek ponumerowanych od 2 do 6 wprowadzić (pod poziom cieczy) pipetą automatyczną 100 l roztworu K4[Fe(CN)6]: 1. probówka nr 2 0,5 M K4[Fe(CN)6] 2. probówka nr 3 0,25 M K4[Fe(CN)6] 3. probówka nr 4 0,125 M K4[Fe(CN)6] 4. probówka nr 5 0,06 M K4[Fe(CN)6] 5. probówka nr 6 0,03 M K4[Fe(CN)6]. d) Uwaga! Nie wstrząsać probówek! e) Przez ok. 3 min obserwować tworzenie się komórek Traubego oraz początkowe zmiany ich objętości. f) Pozostawić doświadczenie na ok. 15 min. Po tym czasie dokonać ponownej obserwacji utworzonych sztucznych komórek. Zanotować ewentualne zmiany. g) Wyniki przedstawić w tabeli:

7 Roztwór K4[Fe(CN)6] kryształ 0,5 M 0,25 M 0,125 M 0,06 M 0,03 M nr probówki zmiany V komórki Traubego Pytania: 1. Jaki proces obserwujemy? 2. Z czego wynika zmiana V komórki Traubego? II. Badanie zależności temperatury wrzenia etanolu od ciśnienia Zasada: Wrzenie to przemiana cieczy w parę, będąca przejściem fazowym I rodzaju, czyli charakteryzującym się istnieniem różnego od zera ciepła przemiany. Wrzenie odróżnia się od parowania tym, że ma miejsce nie tylko na powierzchni cieczy, ale i w jej wnętrzu. Jest to proces burzliwego parowania. Temperatura cieczy podczas wrzenia (tzw. temperatura wrzenia) jest stała, zmienia się jedynie stosunek mas w fazie ciekłej i gazowej. Temperatura wrzenia zależy od ciśnienia jakiemu podlega ciecz. Dla układu zamkniętego ciecz pozostaje zawsze w równowadze termodynamicznej ze swoją parą nasyconą, czyli parą o tym samym składzie jak ciecz, z której powstała. Średnia liczba cząstek opuszczających ciecz w procesie parowania jest równa średniej liczbie cząstek przechodzących z pary nasyconej do cieczy w procesie skraplania. Para nasycona ma największe możliwe dla danej temperatury ciśnienie i gęstość. Ciśnienie pary nasyconej zależy od temperatury i rodzaju cieczy, a nie zależy od objętości gdy zmniejszymy jej objętość, część pary skropli się. W całej objętości cieczy, powstają pęcherzyki wypełnione parą nasyconą, wypływające ku górze i przerywające jej powierzchnię. Zasadniczą rolę odgrywają pęcherzyki powietrza znajdujące się w cieczy i na ściankach naczynia, dając powierzchnie zarodziowe. Załóżmy, że w cieczy o temperaturze T 1 na ściankach naczynia znajduje się mały pęcherzyk wypełniony powietrzem i parą nasyconą. Ciśnienie p wewnątrz tego pęcherzyka będzie równe: p = p ot + dgh + 2σ r = p ot + p hyd + 2σ r gdzie: p ot ciśnienie otoczenia, p hyd ciśnienie hydrostatyczne, 2σ r odnosi się do ciśnienia wynikającego z napięcia powierzchniowego, d powierzchniowego cieczy, r promień pęcherzyka. gęstość, σ współczynnik napięcia

8 Z powyższego wzoru wynika, że wzrastanie pęcherzyków pary jest możliwe, tylko gdy temperatura cieczy jest na tyle duża, że ciśnienie pary nasyconej wewnątrz pęcherzyka jest nie mniejsze niż ciśnienie p. Ponadto, aby pęcherzyk powstał, jego promień powinien być od razu relatywnie duży (czyli stosunek 2σ/r mały). W tych rozważaniach ciśnienie hydrostatyczne można zazwyczaj zaniedbać. W temperaturze wrzenia, ciśnienie pary nasyconej jest więc równe ciśnieniu otoczenia. Jeśli mamy naczynie z gładkimi ścianami a ciecz nie zawiera pyłów ani rozpuszczonych gazów, to pęcherzyki pary nie mogą powstawać. Wtedy możemy podgrzać ciecz powyżej temperatury wrzenia określonej przez istniejące warunki. Mamy wtedy do czynienia z cieczą przegrzaną. Jest to stan metastabilny, niewielkie fluktuacje w układzie lub małe zewnętrzne zaburzenie prowadzą do gwałtownego wrzenia cieczy przegrzanej. Wzór na zależność temperatury wrzenia od ciśnienia określa równanie Clausiusa-Clapeyrona: dp dt = L T (V 2 V 1 ) gdzie L molowe ciepło parowania (ciepło przemiany fazowej), V 1 objętość właściwa substancji w fazie początkowej (w naszym przypadku objętość jednego mola etanolu), V 2 objętość właściwa substancji w fazie końcowej (molowa objętość par etanolu), T, p temperatura i ciśnienie przejścia fazowego. Aby uprościć nieco obliczenia należy założyć, że: - molowa objętość par etanolu jest dużo większa od molowej objętości cieczy, V 2» V 1; dp dt = L T V 2 - pary etanolu w niezbyt wysokich temperaturach zachowują się jak gaz doskonały i podlega równaniu V 2 = RT/p, gdzie stała gazowa R = 8,314 J/(mol K); dp p = L dt R T 2 - L jest stałe w całym przedziale badanych temperatur (ciepło parowania L zależy od temperatury i tak w przypadku wody w zakresie od 0 C do 100 C maleje ono o mniej niż 10%, w przypadku etanolu jest podobnie); dp L p = dt R T 2 Po scałkowaniu powyższego równania otrzymujemy: ln p p 0 = L R (1 T 1 T 0 )

9 gdzie stałe całkowania p 0 i T 0 odpowiadają ciśnieniu i temperaturze pary nasyconej w pewnych wybranych warunkach. Sprowadzamy równanie do postaci liniowej stosując następujące podstawienie: y = lnp, x = 1 L, a = T R, b = L + lnp RT 0. 0 Dzięki temu równaniu można wyznaczyć wartości molowego ciepła parowania etanolu L metodą najmniejszych kwadratów. Należy zawsze uwzględnić dokładność podziałki użytego termometru i wakuometru przy oznaczaniu niepewności pomiaru temperatury wrzenia ΔT i ciśnienia Δp. Niepewność pomiaru molowego ciepła parowania etanolu L oblicza się jako niepewność standardową wielkości mierzonej pośrednio (wyrażonej przez współczynnik kierunkowy a ). Niepewność pomiaru a oblicza się ze wzoru: a = L R L = ar Układ doświadczalny: Sprzęt: wyparka obrotowa pompa próżniowa papier milimetrowy linijka Odczynniki: etanol 96% cm 3 Rysunek 1: a) Schemat i b) zdjęcie układu pomiarowego

10 Rysunek 1a przedstawia schemat układu pomiarowego, zaś rysunek 1b zdjęcie tego układu. Układ ten umożliwia pomiar temperatury wrzenia etanolu pod różnymi ciśnieniami. Główne elementy aparatury: A podgrzewana kolba z etanolem (ok. 100 cm 3 ) połączona z układem, w którym można regulować ciśnienie używając pompy próżniowej podłączonej do górnej części chłodnicy E za pomocą węża gumowego, B łaźnia wodna zaopatrzona w termometr do pomiaru temperatury wody, C mechanizm obrotowy zaopatrzony w ekran kontrolujący obroty kolby oraz temperaturę łaźni wodnej, D statyw i łapa statywu, E chłodnica umożliwiająca skraplanie się par etanolu i powrót etanolu do odbieralnika, która jest podłączona do pompy próżniowej za pomocą węża gumowego. Pompa zaopatrzona jest w regulator podciśnienia i manometr (wakuometr) służące do pomiaru podciśnienia w kolbie, F kolba odbieralnik, G zawór regulacji podciśnienia NIE UŻYWAĆ. Wykonanie: Przy pomocy pompy uzyskuje się w układzie ciśnienie niższe od ciśnienia atmosferycznego, którego analizę dokonuje się poprzez zmiany ustawień na zaworze umieszczonym przy pompie próżniowej. Zmiany temperatury układu dokonuje się za pomocą ustawień na panelu elektronicznym znajdującym się w łaźni wodnej. Należy zwrócić uwagę na poprawny odczyt ciśnienia oraz temperatury wrzenia w chwili rozpoczęcia wrzenia etanolu. Uzyskane wyniki pomiarów zapisujemy w tabeli i na ich podstawie sporządzamy (na papierze milimetrowym) wykres. Można w tym samym układzie współrzędnych umieścić wykres teoretyczny (biorąc dane pomiarowe zamieszczone np. w Tablicach Fizykochemicznych). 1. Wlać około 100 cm 3 etanolu do kolby okrągłodennej o pojemności 1000cm 3 i podłączyć ją do wyparki. 2. Włączyć obieg wody w chłodnicy. 3. Włączyć łaźnię wodną i ustawić temperaturę na 40 C. 4. Włączyć wyparkę i ustawić poziom obrotów na 150 rpm. 5. Włączyć pompę próżniową i odpompować powietrze z aparatury do podciśnienia wynoszącego 400 mmhg i odczekać 3 minuty czy roztwór w kolbie wrze, jeśli nie zmniejszyć podciśnienie do 200

11 mmhg i odczekać 3 minuty, następnie postępować według tej samej procedury zmniejszając podciśnienie do 100 mmhg. Jeśli roztwór zaczyna wrzeć odczytać wartość danego podciśnienia (nie doprowadzić do całkowitego odparowania etanolu!), i przystąpić do następnego pomiaru przy wyższej temperaturze. 6. Zapowietrzyć układ do ciśnienia 400 mmhg za pomocą zaworka przy pompie próżniowej, ale nie wyłączać obrotów kolby na wyparce, ani nie wyłączać pompy, odczekać 3 minuty i podwyższyć temperaturę w łaźni wodnej do 50 C. Upewnić się, że wystarczająca ilość etanolu znajduje się w obracanej kolbie. Kiedy temperatura w łaźni osiągnie 50 C wykonać takie same czynności jak w punkcie 5, aż do uzyskania oczekiwanego rezultatu. 7. Po zakończeniu czynności z punktu 6 zaworem przy pompie próżniowej zapowietrzyć układ do ciśnienia 400 mmhg, odczekać 2 minuty i podwyższyć temperaturę w łaźni wodnej do 60 C i wykonać takie same czynności jak w punkcie 5, aż roztwór w kolbie zacznie wrzeć. W temperaturze 60 C trzeba być ostrożnym ponieważ ta temperatura jest na tyle wysoka (T wrz = 78,4 C), że wrzenie etanolu może nastąpić już przy podciśnieniu 400 mmhg. 8. Wyłączyć pompę oraz obroty kolby na wyparce, zamknąć dopływ wody w chłodnicy. 9. Sprawdzić czy cały układ jest czysty. Wylać pozostałą ilość etanolu do naczynia przygotowanego przez prowadzącego i umyć wszelkie zabrudzone sprzęty. Opracowanie wyników: 1. Zebrać wyniki pomiarów w poniższej tabeli. Lp. Temperatura wrzenia [ C] Ciśnienie [mmhg] 1 25, ,0 3 50,0 4 60,0 5 78, Na podstawie otrzymanych wyników eksperymentalnych, sporządzić wykres zależności temperatury wrzenia od ciśnienia pary nasyconej etanolu T = f (p). Przedyskutować otrzymane wyniki i wytłumaczyć jakie błędy są najczęściej popełniane przy odczytywaniu ciśnienia oraz temperatury.