Chemia fizyczna w kosmetologii

Definicja Chemia fizyczna jest nauką zajmującą się badaniem zjawisk makroskopowych, Chemia fizyczna w kosmetologii atomowych, subatomowych i międzycząsteczkowych w układach chemicznych uwzględniając prawa i pojęcia fizyki. Początki tego działu chemii sięgają XVIII wieku i są związane z niezależnym badaniem i sformułowaniem prawa zachowania masy przez Łomonosowa (1748) i Lavoisiera(1777). Łomonosow jest też uważany za twórcę określenia chemia fizyczna. Przedmiot badań Zależnościami, na które chemia fizyczna stara się znaleźć odpowiedzi są między innymi: siły międzycząsteczkowe które wpływają na właściwości fizyczne materiałów (np. napięcie powierzchniowe w cieczach); kinetyka i szybkość reakcji tożsamość jonów i przewodność elektryczna materiałów, zjawiska powierzchniowe oddziaływanie jednego ciała na drugie w zakresie ilości ciepła i pracy (termodynamika), przenoszenie ciepła pomiędzy układem chemicznym, a jego otoczeniem podczas zmiany fazy lub reakcji chemicznej mającej miejsce (termochemia), badanie własności koligatywnych rodzajów cząstek znajdujących się w roztworze, liczba faz, liczba składowych i stopni swobody; reguła faz reakcje ogniw elektrochemicznych. Kosmetologia Kosmetologia, kosmetyka lekarska ( łac. cosmetologia) dział dermatologii zajmujący się badaniem, opisywaniem, leczeniem i pielęgnowaniem skóry, włosów i paznokci zarówno zdrowych jak i chorych. Nazwa dyscypliny wywodzi się od greckich słów kosmetes sługa toaletowy i kosmetikos upiększający, a według innych badaczy od greckiego słowa kosmos, które oznacza porządek, ład, ozdobę.. 1

Kosmetologia łączy nauki przyrodnicze (chemia, biologia, biofizyka, medycyna), z innymi takimi jak antropologia, socjologia, psychologia, estetyka i filozofia. W zakresie interwencyjnym kosmetologia związana jest z higieną życia i odżywiania. Zaś poprawę atrakcyjności fizycznej ciała człowieka osiąga metodami nieinwazyjnymi kosmetykami, zabiegami pielęgnacyjnymi, interwencjami dietetycznymi, rehabilitacją. Jednak w pierwszym rzędzie służy ona utrzymywaniu, przywracaniu bądź poprawie wyglądu zewnętrznego, a nie utrzymywaniu, przywracaniu czy poprawie funkcji organizmu, jak dzieje się w przypadku rehabilitacji lub dietetyki Zainteresowania kosmetologii profilaktyka mająca na celu opóźnienie zewnętrznych oznak procesu starzenia; zapobieganie powstawaniu defektów skórnych oraz zachowanie jak najdłużej sprawności życiowej; zagadnienia związane z upiększaniem; skład preparatów kosmetycznych i ich wpływ na poszczególne rodzaje skóry; korygowanie wad wyglądu zewnętrznego (także ze względu na ich wpływ na psychikę i samopoczucie pacjentów); zagadnienia lecznicze dotyczące zmian skórnych, które niekorzystnie wpływają na wygląd zewnętrzny; problemy otyłości wpływ promieniowania nadfioletowego na skórę; odczyny toksyczno-alergiczne, związane z kosmetykami. Kosmetologia obejmuje również Formy fizykochemiczne kosmetyków podział Układy Surowce kosmetyczne, pochodzenie, własności chemiczne i fizyczne, działanie w kosmetykach (fizyczne, chemiczne i biologiczne) Fizykochemia i metody wytwarzania form kosmetycznych Recepturowanie (tworzenie nowych) kosmetyków Układy homogeniczne, roztwory Układy zdyspergowane aerozole Metody oceny bezpieczeństwa stosowania działania (aplikacja) jakości wodne Wodnoorganiczne Lipidowe Żele (koloidy) emulsje zawiesiny piany Produkcja kosmetyków Elementy marketingu produktów kosmetycznych J. Arct, Podstawy wiedzy o kosmetykach, WSZKiPZ 2

Kosmetyki wg przeznaczenia Oczyszczanie twarzy Emulsje w/o Emulsje o/w Roztwory micelarne Wiadomości wstępne Dezodoranty i antyperspiranty emulsje mikroemulsje hydrożele roztwory Aerozole Inne Wielkości fizykochemiczne: Określają ilościowe związki zachodzące pomiędzy właściwościami ciał lub zjawisk. Wyrażane są przez wartości liczbowe. Można je podzielić na intensywne i ekstensywne: Wielkości intensywne nie zależą od wielkości układu (np. objętości, liczby cząsteczek lub masy). Są nimi: ciśnienie, gęstość, objętość molowa, potencjał chemiczny, prędkość, przyśpieszenie, stężenie, temperatura. Wielkości ekstensywne zależą proporcjonalnie od wielkości układu. Należą do nich: liczność cząstek, ładunek elektryczny, masa, objętość, pęd. 3

W tabeli poniżej określ właściwości przedstawionych wielkości jako intensywne lub ekstensywne Jednostki miar Międzynarodowy układ jednostek miar (SI) Jednostki podstawowe Siedem jednostek podstawowych Metr (m) Kilogram (kg) Sekunda (s) Mol (mol) Powierzchnia (m 2 ) Przyśpieszenie (m s -2 ) Prędkość (m s -1 ) Siła (N = kg m s -2 ) Jednostki pochodne Objętość (m 3 ) Stężenie molowe ( mol dm 3 ) Energia, praca (J = N m) 4

Powiązanie jednostek masy i objętości lub objętości i liczności gęstość SI (kg m -3 ) inne jednostki (ciała stałe i ciecze)g cm -3 ; (gazy)g dm -3 1. Wyraź w jednostkach SI gęstość 1.45 g cm -3 2.. Wyraź stężenie molowe roztworu otrzymanego przez rozpuszczenie 1,5 mola NaOH w 1 dm 3 roztworu w jednostkach SI. Ciężar a masa ciała Masa wielkość skalarna, wyrażana w kg, jest niezależna od siły grawitacji, m= ρ V Ciężar wielkość wektorowa, zależna od siły grawitacji, P = m g, wyrażany w N Jeżeli ciężar ciała ρ pomnożymy przez przyspieszenie ziemskie g = 9.81[m/s 2 ], otrzymamy nową wielkość fizyczną, zwaną ciężarem właściwym, oznaczanym literą γ. γ = ρ g [γ = N m -3 ] 3. Oblicz ciężar właściwy wody, wiedząc, że jej gęstość wynosi ρ = 1000[kg m -3 ]. 5

Pomiar temperatury, układy inne niż SI Skale temperatur Fahrenheit Celsius Kelvin Anders Celsius 1701-1744 Lord Kelvin (William Thomson) 1824-1907 Daniel Gabriel Fahrenheit 1686-1736 Obliczenia związane ze zmianą skal Temperatura wrzenia wody Temperatura zamarzania wody Fahrenheit 212 F 180 F 32 F 1 kelvin = 1 stopień Celsiusa Celsius 100 C 100 C 0 C Kelvin 373 K 100 K 273 K W obliczeniach zazwyczaj stosuje się temperaturę wyrażaną w kelvinach T (K) = t ( C) + 273.15 Temperatura ciała= 37 C + 273 = 310 K Ciekły azot = -196 C + 273 = 77 K 6

Skala Fahrenheita dla chętnych Skala Celsiusza dla chętnych 180 F = 9 F = 1.8 F 100 C 5 C 1 C Temperatura 0: 0 C = 32 F F = 9/5 C + 32 Aby znaleźć temperaturę w C F = 9/5 C + 32 F - 32 = 9/5 C ( +32-32) F - 32 = 9/5 C 9/5 9/5 ( F - 32) * 5/9 = C Przeliczanie temperatur Wielokrotności jednostek Osoba w hipotermią ma temperaturę ciała 29.1 C. Ile wynosi ta temperatura wyrażona w F? F = 9/5 (29.1 C) + 32 = 52.4 + 32 = 84.4 F 7

Podkrotności jednostek Przykłady użycia wielokrotności i podkrotności jednostek: Dla energii, E,: 1 aj = energia pojedynczego fotonu światła niebieskiego (λ = 1 x10-7 m, E = 1 x10-18 J) 1 fj = energia pojedynczego fotonu promieniowania wysokoenergetycznego, γ, (λ = 1 x10-10 m ; E= 1 x10-15 J) 1pJ = energia zużyta przez pojedynczy impuls nerwowy, (E = 1 x 10-12 J) 1 nj = energia pojedynczego uderzenia skrzydła muchy, (E = 1 x10-9 J) 1 µj = energia emitowana przez pojedynczy piksel na ekranie TV (E= 1x 10-6 J) 1mJ = energia zużywana w ciągu 1s przez wyświetlacz LCD w zegarku (E= 1 x 10-3 J) 1cJ = energia 1 mola fotonów promieniowania radiowego (λ=10m; E= 1x10-2 ) 1dJ = energia wydzielana w ciągu 100s podczas przepływu prądu o natężeniu 1 ma i napięciu 1 V ( E= 1 x10-1 J) 1 J = połowa energii kinetycznej obiektu o masie 0.1 kg (1N) poruszającego się z prędkością 1m s -1 (E= 1x 10 0 J) 1kJ = połowa energii w temperaturze pokojowej (E- odpowiadające RT w temperaturze 298K, E = 2.3kJ) (E= 1x 10 3 J) 1 MJ = energia wyzwolona przy spaleniu 1/3 mola glukozy ( ¼ tabliczki czekolady) (E= 1 x10 6 J) 1 GJ = energia 1 mola fotonów promieniowania γ; (E = 1x10 9 J) 1 TJ = energia związana z masa 100g (via E= mc 2 ); (E= 1x10 12 J) 1 PJ = energia wydzielona przy eksplozji małej bomby atomowej; (E= 1 x10 15 J) Obliczenia z wykorzystaniem prefiksów 1. Zamień 8 ms na μs. 2. Liposom ma długość 30 nm ile to m? 3. Stężenie kwasu octowego znajdującego się w kolbie to 200 mm/l. Wyraź to stężenie w mol/l. Jakie byłoby to stężenie wyrażone w jednostkach SI? 8

Objętość = 22.4 d m 3 zmienna Wielkość, która może ulegać zmianie. Pomnożona przez inną zmienna tworzy wielkość złożoną. Wartość liczbowa Zapisywana w postaci dziesiętnej lub ułamka Jednostka Współczynnik wielokrotności jednostki Zawsze zapisywane na końcu zgodnie z zaleceniami IUPAC. W przypadku kilku jednostek pomiędzy mini spacja Zawsze zapisywany pomiędzy wartością liczbową a jednostkami. Zapisany słownie, symbolem lub notacją wykładniczą W podanych poniżej przykładach zaznacz wielkość fizyczną, wartość liczbową wielkości fizycznej; współczynnik wielokrotności lub podkrotności: Masa próbki = 2.67 mg stała szybkości reakcji = 3.06 x 10-4 [mol dm -3 ] -1 s -1 Prędkość pojazdu = 120 km h -1 Rezystancja roztworu= 12 µs SEM ogniwa = 1.19 V Pojemność dysku komputera = 120TB Notacja wykładnicza / naukowa Zapis bardzo dużych lub bardzo małych liczb. Stosowana w identycznym celu jak współczynniki wielokrotności. Wartość liczby rzeczywistej, zapisanej w notacji naukowej można odczytać, stosując się do poniższego wzoru: x = M x 10 E gdzie: M (ang. mantissa) mantysa E (ang. exponent) wykładnik (cecha) 9

93 000 000 = 9,3 x 10 7 0,000 000 000 93 = 9,3 x 10-7 Obliczenia 0,00000267 mol l -3 = 2,67 x 10-6 mol l 199 999 J = 2 x10 5 J Podaj w notacji naukowej wielkość stałej Boltzmanna, k B. k B = 0,000 000 000 000 000 000 000 0138 JK -1 Podaj w notacji naukowej wielkość liczby Avogadro: 602 300 000 000 000 000 000 000 Wyraź następujące liczby w postaci różnych typów notacji Naukowa Dziesiętna Z zastosowaniem prefixu Cyfry znaczące 2.35 x10-6 m 100000000 kg 5 n moli Liczby będące wynikami pomiarów są ograniczone przez narzędzia pomiarowe. Cyfry znaczące otrzymane w pomiarze zawierają cyfry pewne i jedną niepewną 10

Odczytując wymiar z linijki. l 2.... I.... I 3....I.... I 4.. cm Pierwsza cyfra (pewna) = 2 2.?? cm Druga cyfrat (pewna) = 0.7 2.7? cm Trzecia cyfra (szacowana) pomiędzy 0.05-0.07 Długość zapisana = 2.75 cm lub2.76 cm lub2.77 cm Znane + oszacowane cyfry Długość 2.76 cm Znane liczby to 2 i 7 są100% pewne Trzecia cyfra 6 jest oszacowana (niepewna) w przedstawionej powyżej długości wszystkie trzy cyfry (2.76 cm) są znaczące właczając oszacowaną Sprawdz długość zielonej kreski. l 8.... I.... I 9....I.... I 10.. cm Jaka jest długość zielonej kreski? 1) 9.6 cm 2) 9.62 cm 3) 9.63 cm Zero jako wynik w pomiarze. l 3.... I.... I 4.... I.... I 5.. cm Jaka jest długość niebieskiej kreski? Pierwsza cyfra 5.?? cm Druga cyfra 5.0? cm ostatnia (szacowana) cyfra 5.00 cm 11

Zawsze oszacuj jedno miejsce! Obliczenia związane z cyframi znaczącymi Reguła 1. Wszystkie niezerowe cyfry otrzymane w wyniku pomiaru są cyframi znaczącymi.???? 38.15 cm 4 5.6 dm 2 65.6 kg 122.55 m Liczba cyfr znaczących Zero jako liczba pierwsza Zero pomiędzy cyframi Reguła 2. Zero jako liczba pierwsza w ułamkach dziesiętnych nie jest liczbą znaczącą. Liczba cyfr znaczących 0.008 mm 1 0.0156 g 3 0.0042 kg 0.00262 ml Reguła 3. Zero znajdujące się pomiędzy cyframi w wyniku pomiaru jest uważane za cyfrę znaczącą Liczba cyfr znaczących 50.8 mm 3 2001 min 4 0.702 g 0.00405 m 12

Zero na końcu Zadania sprawdzające Reguła 4. Zero na końcu wyniku w liczbach bez przecinka nie są znaczące. Liczba cyfr znaczących 25,000 cala 2 200.00 m 3 48,600 dg 25,005,000 g A. Która z odpowiedzi zawiera 3 cyfry znaczące? 1) 0,4760 2) 0,00476 3) 4760 B. Wszystkie zera są znaczącymi w 1) 0,00307 2) 25,300 3) 2,050 x 10 3 C. 534 675 zaokrąglone do 3 cyfr znaczących to 1) 535 2) 535 000 3) 5,35 x 10 5 Zadania sprawdzajace Które z odpowiedzi zawierają takie same ilości cyfr znaczących? 1) 22,0 and 22,00 2) 400,0 and 40 3) 0,000015 and 150 000 Obliczenia związane z cyframi znaczącymi Obliczane odpowiedzi nie mogą być bardziej precyzyjne od precyzji urządzenia pomiarowego. Obliczane odpowiedzi muszą być tak precyzyjne jak precyzyjny jest sprzęt. Cyfry znaczące są potrzebne dla końcowej odpowiedzi po 1) dodawaniu lub odejmowaniu 2) mnożeniu lub dzieleniu 13

Dodawanie lub odejmowanie Zadania sprawdzajace Odpowiedź ma taką samą ilość cyfr znaczących jak pomiar z najmniejszą liczbą cyfr po przecinku. Do roztworu zawierającego 25,2 mg soli kuchennej dodano 1,34 g tej samej soli. Jakie jest stężenie nowego roztworu? 25,2 jedna cyfra po przecinku + 1,34 dwie cyfry przecinku 26,54 Odpowiedź 26,5 jedno miejsce po przecinku WDla każdego z obliczeń zaokrąglono wynik do pewnej liczby cyfr znaczących. Która odpowiedź jest prawidłowa? A. 235.05 + 19.6 + 2.1 = 1) 256.75 2) 256.8 3) 257 B. 58.925-18.2 = 1) 40.725 2) 40.73 3) 40.7 Mnożenie i dzielenie Zadania sprawdzajace Zaokrąglij (lub dodaj zero) do obliczonej odpowiedzi tak aby otrzymać taką samą liczbę cyfr znaczących jaką ma pomiar z najmniejsza liczbą cyfr znaczących. 22.53 dwa miejsca po przecinku X 2.094 trzy miejsca po przecinku 41.17782 Odpowiedź 41.18 dwa miejsca po przecinku A. 2.19 X 4.2 = 1) 9 2) 9.2 3) 9.198 B. 4.311 0.07 = 1) 61.58 2) 62 3) 60 C. 2.54 X 0.0028 = 0.0105 X 0.060 1) 11.3 2) 11 3) 0.041 14

Oblicz stężenie molowe roztworu kwasu solnego jeżeli 25 ml tego kwasu przereagowało z 22.5 ml roztworu NaOH o stężeniu 0.1002 mol/dm 3. HCl + NaOH NaCl + H 2 O Jakie jest stężenie molowe roztworu kwasu solnego powstałego poprzez rozcieńczenie 25 cm 3 2 mol/dm 3 roztworu 75 cm 3 wody destylowanej? 1 mol 1 mol M = n V n = M V = 0,1002 mol dm 3 0,0225 dm 3 = 0,0022545 mol Stężenie kwasu M = n 0,0022545 mol = = 0,09018 mol /dm 3 V 0,025 dm 3 Najmniejsza ilość cyfr po przecinku w obliczeniach to 3 i z taką dokładnością należy podać wynik M HCl = 0,0902 mol /dm 3 M = n n = M V = 2 V mol/dm3. 0,025 dm 3 = 0,05 moli M = n = 0,05 mol V 0,025+0,075 dm3 = 0,5 mol/dm3 Jakie jest stężenie molowe 10% roztworu NaOH o gęstości 1,1089 g/cm 3. Masa molowa NaOH wynosi 40 g/mol. Logarytmem liczby b przy podstawie a nazywamy taką liczbę c, że a podniesione do potęgi c daje liczbę b. Matematycznie zapiszemy tą definicję tak: 15

Działania na logarytmach: Logarytm iloczynu Logarytm iloczynu jest równy sumie logarytmów: Logarytm potęgi Logarytm ilorazu Logarytm iloczynu jest równy różnicy logarytmów: Logarytm pierwiastka 2 log 6 3 + log 6 4 = log 6 (3) 2. log 6 4 = log 6 36= 2 czyli 6 2 = 36 Graficzne przedstawienie danych 2 log 3 6 log 3 4= log 3 (6) 2 - log 3 4 = log 3 (36/4) = log 3 9 = 2 albowiem 3 2 = 9 6 log 7 2-3log 7 4 = log 7 (2) 6 - log 7 (4) 3 = log 7 64-log 7 64= log 7 (64/64)= log 7 1 = 0 czyli 7 0 =1 Wykresy dla układów obserwowana zmienna (oś y, odcięta) vs. kontrolowana zmienna (oś x, rzędna): a) prosta liniowa zależność y = stała x b) wykres pokazujący zależność ale nie liniową pomiędzy x i y; c) y jest nie zależne od x, d) nie ma związków pomiędzy wartościami y i x 16

SEM [V] 06/10/2015 0.325 Zależność SEM od steżenia jonów i temperatury Zależność absorbancji od stężenia benzenu 0.275 0.225 0.175 0.125 0.075 0.025 0 0.05 0.1 0.15 0.2 Stężenie [M/l] 298 K 308 K 2.5 y = x/m = k c 1/n 2 1.5 1 0.5 0 0 100 200 300 400 500 C [mmol /l] Wykres 1. Zależność ilości zaadsorbowanego kwasu octowego na 1 gram adsorbentu od równowagowej ilości kwasu octowego. Izoterma Freudlicha Jak wyznaczyć wartości k, n dla zależności y = x/m = k c 1/n Tu przydają się logarytmy. Po zlogarytmowaniu równania otrzymujemy: log y = log k + 1/n log c to jest podobne do równania prostej y = b + ax 17

Funkcje trygonometryczne, ich wykorzystanie w obliczaniu współczynnika kierunkowego (nachylenia) funkcji Oznaczenia: a, b - przyprostokątne c - przeciwprostokątna α- kąt ostry trójkąta Polega na wyznaczeniu Oszacowanie hipotetycznej danych w danym przedziale wartości wykraczającej poza funkcji. Oszacowanie dany przedział funkcji. hipotetycznej wartości cechy Wykorzystywana jest gdy na podstawie pozostałych brakuje pełnych danych (sąsiednich) znanych wartości. Rezystancja [Ω] 5.0 3.0 Przykład interpolacji danych z wykresu Rozpuszczalność KNO3 [g] Ekstrapolacja 1.0 5 15 25 Temperatura [ o C ] Wykres zależności rezystancji od temperatury Temperatura [ o C] Wykres rozpuszczalności KNO 3 (w g) w funkcji temperatury 18

L [S cm 2 mol -1 ] 250 200 150 100 50 0 y = 300.63x 2-479.95x + 216.73 R² = 0.9728 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 06/10/2015 L = f(c)? C [mol dm -3 ] Wykres. Zależność przewodności roztworu kwasu salicylowego od jego stężenia. Podręczniki Wykres zależności stężenia produktu ( c) od czasu trwania reakcji (t). Krzywa kinetyczna reakcji Wykres zależności stosunku masy zaadsorbowanego gazu do masy adsorbentu ( q/m) do ciśnienia zaadsorbowanego gazu (p). Izoterma adsorpcji 1. Chemia fizyczna. Podręcznik dla studentów farmacji i analityki medycznej. Redakcja naukowa Tadeusz W. Herman, PZWL 2007 2. L. Jones, P. Atkins Chemia Ogólna, PWN, 2004 3. Chemia analityczna. Podręcznik dla studentów pod redakcją R. Kocjana. PZWL 2014 4. Eksperymentalna chemia fizyczna. Redakcja E. Więckowska Bryłka, Wydawnictwo SGGW 2007 5. A.G. Whittaker, A.R. Mount, M.R. Heal - Chemia fizyczna, krótkie wykłady. PWN 2000 5. A. Danek - Chemia fizyczna podręcznik dla studentów farmacji. PZWL, 1982 19