ADSORPCJA PARACETAMOLU NA WĘGLU AKTYWNYM CEL ĆWICZENIA Celem ćwiczenia jest analiza procesu adsorpcji paracetamolu na węglu aktywnym. Zadanie praktyczne polega na spektrofotometrycznym oznaczeniu stężenia paracetamolu w roztworze przed i po procesie adsorpcji na węglu aktywnym. Uzyskane wyniki pozwolą na sprawdzenie czy adsorpcja paracetamolu na węglu aktywnym może być opisana przez równanie izotermy Freundlicha. ZAGADNIENIA DO PRZYGOTOWANIA Zjawiska adsorpcji na powierzchni ciała stałego, adsorpcja fizyczna i chemiczna, izotermy adsorpcji (Langmuira, Freundlicha, BET), zjawisko histerezy, adsorbenty. WPROWADZENIE Przyleganie cząsteczek do powierzchni ciała stałego (gromadzenie się cząsteczek w fazie powierzchniowej) nosi nazwę adsorpcji. Substancję, która ulega adsorpcji, nazywamy adsorbatem, natomiast substancję (podłoże), na powierzchni której ten proces zachodzi adsorbentem. Procesem odwrotnym do adsorpcji jest desorpcja. Adsorpcja substancji na powierzchni ciała stałego może zachodzić z fazy ciekłej (z roztworu), jak i z fazy gazowej. W zależności od charakteru odziaływań występujących pomiędzy cząsteczkami adsorbatu i adsorbentu, wyróżnia się: adsorpcję chemiczną (chemisorpcję) oraz adsorpcję fizyczną (fizysorpcję). Istnieje kilka różnic pomiędzy chemisorpcją i fizysorpcją: W procesie adsorpcji fizycznej pomiędzy adsorbentem i adsorbatem istnieją słabe (ale o dalekim zasięgu) oddziaływania van der Waalsa lub wiązania wodorowe, natomiast w przypadku adsorpcji chemicznej cząsteczki adsorbatu są związane na powierzchni adsorbentu wiązaniami chemicznymi Efekt energetyczny towarzyszący adsorpcji fizycznej jest znacznie niższy niż w przypadku adsorpcji chemicznej Wraz ze wzrostem temperatury adsorpcja fizyczna maleje (zwiększa się desorpcja); z drugiej strony, wzrost temperatury powoduje zwiększenie adsorpcji chemicznej Adsorpcja fizyczna jest procesem odwracalnym (wzrost temperatury powoduje zwiększenie desorpcji); o adsorpcji chemicznej mówi się, że jest zazwyczaj nieodwracalna (aby zerwać utworzone wiązania chemiczne trzeba by użyć drastycznych środków) W procesie chemisorpcji, ze względu na tworzące się wiązania chemiczne, na powierzchni adsorbentu może powstać tylko warstwa monomolekularna adsorbatu; w przypadku zjawiska fizysorpcji zazwyczaj powstaje kilka warstw adsorbatu na adsorbencie (rzadko warstwa monomolekularna). Matematyczny opis stanu równowagi adsorpcyjnej (stanu równowagi w układzie adsorbent adsorbat) wymaga znajomości trzech parametrów: temperatury, ilości substancji zaadsorbowanej oraz stężenia adsorbatu w fazie ciekłej (w układzie ciało stałe ciecz) lub ciśnienia gazu (w układzie ciało stałe gaz). Związek pomiędzy ilością zaadsorbowanej na powierzchni ciała stałego substancji a jej stężeniem w ściśle określonej (stałej) temperaturze opisany jest przez tzw. izotermy adsorpcji. Są to równania wyprowadzone teoretycznie, na podstawie przyjętego modelu adsorpcji, lub empirycznie, na podstawie danych doświadczalnych. 1
Izoterma Langmuira Langmuir przedstawił najprostszy model adsorpcji, opisujący proces adsorpcji monomolekularnej, który opiera się na trzech założeniach: Adsorpcja nie może przekroczyć monowarstwowego pokrycia; Powierzchnia adsorbentu posiada określoną liczbę równocennych miejsc aktywnych, tzw. centrów aktywnych; W jednym centrum aktywnym może się przyłączyć tylko jedna cząsteczka adsorbatu, a pomiędzy przyłączonymi cząsteczkami nie ma oddziaływań. Równanie Langmuira ma postać: (1) gdzie: a - ilość substancji (wyrażona w molach lub gramach) zaadsorbowana na jednostkowej masie adsorbentu a m - ilość substancji zaadsorbowana na jednostkowej masie adsorbentu, gdy wszystkie centra adsorpcji są zajęte (czyli w nasyconej monomolekularnej warstwie) K - stała będąca ilorazem stałej szybkości adsorpcji i stałej szybkości desorpcji p - ciśnienie gazu Wykres izotermy Langmuira przedstawia zależność pomiędzy ilością zaadsorbowanej substancji a jej stężeniem: Ryc. 1 Izoterma adsorpcji Langmuira. W początkowym odcinku wykresu (w zakresie małych ciśnień) widać wprost proporcjonalny wzrost adsorpcji wraz ze wzrostem ciśnienia. W miarę zaś wzrostu ciśnienia adsorbatu następuje wysycenie dostępnych centrów aktywnych. Wtedy, pomimo dalszego wzrostu ciśnienia nie zmienia się już wielkość adsorpcji, ponieważ cała powierzchnia adsorbentu jest zajęta (a zgodnie z założeniem modelu adsorpcja nie może przekroczyć monowarstwowego pokrycia). Wartości stałej K oraz a m można w łatwy sposób wyznaczyć przekształcając równanie izotermy Langmuira do postaci liniowej przez odwrócenie równania. (2) Z równania wynika, że im niższe nachylenie prostej, tym substancja w większym stopniu adsorbuje (większa wartość a m ). 2
Ryc. 2 Postać liniowa izotermy Langmuira. Izoterma Freundlicha Jest to empirycznie wyprowadzone równanie, które może opisywać proces adsorpcji wielowarstwowej. Równanie to ma postać: gdzie: a c k n (3) - ilość substancji (wyrażona w molach lub gramach) zaadsorbowana na jednostkowej masie adsorbenta - stężenie substancji - stała, jest to wielkość adsorpcji, gdy stężenie substancji wynosi 1 mol/l; jest tym większa, im większa jest pojemność adsorbentu - stała, wartość jest miarą oddziaływań pomiędzy cząsteczkami adsorbatu Izoterma Freundlicha, odmiennie od izotermy Langmuira, ma w całym zakresie stężeń przebieg krzywoliniowy (nie ma ograniczenia, że możliwa jest tylko adsorpcja jednowarstwowa): Ryc. 3 Izoterma adsorpcji Freundlicha. Wyznaczenie stałych k i n z równania izotermy Freundlicha jest możliwe po przekształceniu równania (3) do postaci liniowej przez obustronne zlogarytmowanie. (4) 3
Stałą n wyznacza się ze współczynnika kierunkowego, natomiast stałą k z punktu przecięcia prostej z osią OY. Ryc. 4 Liniowa postać izotermy Freundlicha. Izoterma BET Najczęściej spotykaną w praktyce izotermą opisującą proces adsorpcji wielowarstwowej jest izoterma BET, wyprowadzona przez Stephena Brunauera, Paula Emmeta i Edwarda Tellera: (5) gdzie: ϴ C Z - ułamek pokrycia powierzchni adsorbentu przez adsorbat - stała, proporcjonalna do różnicy pomiędzy ciepłem adsorpcji w pierwszej monomolekularnej warstwie i ciepłem skroplenia - stosunek wartości ciśnienia adsorbatu (p), przy którym określona masa adsorbuje się na 1 g adsorbentu do ciśnienia pary nasyconej adsorbatu (p o ) Ryc. 5 Izoterma BET. Izoterma BET jest często stosowana w przemyśle do wyznaczania powierzchni ciał stałych. 4
Zjawisko adsorpcji jest szeroko wykorzystywane w praktyce laboratoryjnej oraz w przemyśle. Jest to podstawa procesów oczyszczania, rozdzielania, analizowania i wyodrębniania związków występujących w mieszaninach. Ponadto, odgrywa zasadniczą rolę w chromatografii adsorpcyjnej. Także w lecznictwie wykorzystano zdolności adsorpcyjne niektórych związków, stosowanych między innymi w pierwszej pomocy przy zatruciach (węgiel medyczny) oraz w leczeniu biegunek (węgiel medyczny, diosmektyt). Zjawisko adsorpcji może być także przyczyną interakcji pomiędzy stosowanymi lekami, co z kolei powoduje obniżenie skuteczności farmakoterapii. LITERATURA 1. Hermann T.W.: Farmacja fizyczna. Wydawnictwo Lekarskie PZWL, Warszawa 1999. 2. Hermann T.W.: Chemia fizyczna. Wydawnictwo Lekarskie PZWL, Warszawa 2007. 3. Pigoń K., Ruziewicz Z., Chemia fizyczna. Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2005. 4. Atkins P.W., Chemia fizyczna. Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2001. 5
APARATURA I ODCZYNNIKI spektrofotometr UV-Vis termowytrząsarka (Thermo-shaker) zestaw pipet wodny roztwór HCl o stężeniu 0,1 mol/l roztwór podstawowy paracetamolu w 0,1 mol/l HCl o stężeniu 12,5 mg/ml roztwory wzorcowe paracetamolu w 0,1 mol/l HCl o stężeniach 12,5 µg/ml; 10,0 µg/ml; 7,5 µg/ml; 5,0 µg/ml; 2,5 µg/ml; 1,25 µg/ml węgiel aktywny WYKONANIE Zadanie praktyczne polega na spektrofotometrycznym oznaczeniu stężenia paracetamolu w roztworze przed i po procesie adsorpcji (po 45-minutowej inkubacji roztworu leku z węglem aktywnym). 1. W plastikowych probówkach z korkiem przygotować serię 6 próbek zawierających: próbka Masa węgla aktywnego [mg] Objętość [ml] roztworu paracetamolu o stęż. 12,5 mg/ml Objętość 0,1 mol/l HCl [ml] 1 100 8,0 ---- 2 100 6,0 2,0 3 100 4,0 4,0 4 100 2,7 5,3 5 100 0,8 7,2 zerowa 100 ------ 8,0 2. Probówki szczelnie zamknąć, starannie wymieszać i umieścić w termowytrząsarce. Inkubować próbki przez 45 minut w temperaturze 37 C. Szybkość wytrząsania próbek ustalić na 700 cykli/min. 3. W trakcie inkubacji próbek z węglem aktywnym przygotować krzywą wzorcową zależności absorbancji od stężenia paracetamolu w roztworze. W tym celu: a. Zmierzyć absorbancję roztworów wzorcowych paracetamolu przy λ max = 243 nm. Jako próby odniesienia (do kalibracji spektrofotometru) użyć 0,1 mol/l roztworu HCl. b. Sporządzić wykres krzywej wzorcowej A = f(c wz ) oraz wyznaczyć równanie prostej (skonsultować z asystentem istotność współczynnika b). 4. Po upływie wymaganego czasu na inkubację próbki wyjąć z termowytrząsarki i odwirować przez 10 minut przy szybkości 3500 obrotów/min. 6
5. Analiza supernatantu. W kolbach miarowych o pojemności 50 ml przygotować odpowiednie rozcieńczenia roztworów paracetamolu po adsorpcji z próbek 1-4. W tym celu odmierzyć (odpipetować) następujące objętości supernatantu: Próbka 1 (rozcieńczenie 1000x) 0,05 ml (50 µl) Próbka 2 (rozc. 1000x) 0,05 ml (50 µl) Próbka 3 (rozc. 1000x) 0,05 ml (50 µl) Próbka 4 (rozc. 100x) 0,50 ml (500 µl), a następnie uzupełnić do 50 ml 0,1 mol/l roztworem HCl. 6. Zmierzyć absorbancję otrzymanych rozcieńczeń przy λ max = 243 nm. Absorbancję próbki nr 5 zmierzyć przenosząc bezpośrednio do kuwety ok. 3 ml supernatantu (bez rozcieńczania). Aparat wykalibrować używając supernatantu z próbki zerowej (próbki nie zawierającej paracetamolu). Przy pipetowaniu supernatantu zwrócić uwagę, aby nie wstrząsać próbką, by pobrany roztwór był klarowny i nie zawierał cząstek węgla aktywnego. W przypadku zauważenia zanieczyszczenia w pobranym supernatancie próbkę ponownie odwirować i odpipetować czysty supernatant. 7. Korzystając z równania krzywej wzorcowej wyznaczyć stężenia paracetamolu w badanych próbkach po inkubacji z węglem (w obliczeniach uwzględnić rozcieńczenia): 1000 gdzie: C r stężenie paracetamolu w stanie równowagi (po inkubacji) [mg/ml] A absorbancja b punkt przecięcia z równania krzywej wzorcowej a współczynnik kierunkowy krzywej wzorcowej R rozcieńczenie próbki 8. Obliczyć ilość paracetamolu (w mg): a. Która znajdowała się w próbce przed inkubacją z węglem aktywnym b. Która pozostała w roztworze po inkubacji 9. Obliczyć wielkość adsorpcji a (ile mg paracetamolu adsorbuje się na 1 g węgla aktywnego). 10. Wykreślić zależność wielkości adsorpcji od stężenia paracetamolu w roztworze (uwzględniamy stężenia równowagowe po inkubacji) a = f(c r ). Przeanalizować przebieg krzywej z asystentem. 11. Wyznaczyć liniowe równanie izotermy Freundlicha, obliczyć wartości parametrów k i n. Przedyskutować z asystentem czy równanie izotermy Freundlicha dobrze opisuje proces adsorpcji paracetamolu na węglu aktywnym. 7
12. Przeanalizować wielkość adsorpcji paracetamolu na węglu aktywnym w środowisku żołądka (0,1 mol/l HCl) oraz w temperaturze organizmu ludzkiego. Jakie konsekwencje kliniczne mogą wiązać się z jednoczesnym przyjęciem paracetamolu i węgla aktywnego? Czy zjawisko adsorpcji paracetamolu na węglu aktywnym może mieć zastosowanie terapeutyczne? 13. Przeanalizować zjawisko adsorpcji paracetamolu na węglu aktywnym zachodzące w temperaturze wyższej lub niższej niż 37 C (na podstawie wyników podanych przez asystenta). Jakiego typu (fizyczna czy chemiczna) jest adsorpcja paracetamolu na węglu aktywnym? 8
WZÓR PROTOKOŁU Adsorpcja paracetamolu na węglu aktywnym Cel ćwiczenia: 1. Krzywa wzorcowa zależności absorbancji roztworu od stężenia paracetamolu w próbce. Nr próbki Stężenie paracetamolu C wz [µg/ml] 1 12,5 2 10,0 3 7,5 4 5,0 5 2,5 6 1,25 Absorbancja (λ max = 243 nm) Krzywa wzorcowa zależności A = f(c wz ) Współczynnik kierunkowy a Punkt przecięcia z osią OY b Błąd punktu przecięcia S b Czy współczynnik b jest istotny? TAK / NIE Współczynnik korelacji r Ostateczne równanie krzywej wzorcowej A = f(c wz ) (z uwzględnieniem istotności współczynnika b): 2. Obliczenie początkowej ilości paracetamolu w próbkach poddanych inkubacji z węglem aktywnym. Nr próbki 1 2 3 4 5 Stężenie paracetamolu w próbce C p [mg/ml] Ilość paracetamolu w próbce X p [mg] 9
Czas inkubacji:.. Temperatura inkubacji:. Szybkość wytrząsania: 3. Obliczenie stężenia paracetamolu w próbkach w stanie równowagi adsorpcyjnej (po inkubacji). Nr próbki Absorbancja (λ max =243 nm) rozcieńczenie Stężenie paracetamolu w stanie równowagi C r [mg/ml] 1 1000 2 1000 3 1000 4 100 5 --- 4. Obliczenie ilości paracetamolu zaadsorbowanego na węglu aktywnym. Nr próbki Masa węgla aktywnego Początkowa ilość paracetamolu w próbce X p Ilość paracetamolu w próbce w stanie równowagi X r Ilość paracetamolu zaadsorbowana na 100 mg węgla aktywnego X a = X p - X r [mg] [mg] [mg] [mg] [mg/1g węgla] a 1 100 2 100 3 100 4 100 5 100 5. Równanie izotermy Freundlicha (adsorpcja w temp. 37 C): Nr próbki C r [mg/ml] logc r a [mg/1g węgla] loga 1 2 3 4 5 10
Równanie liniowe izotermy Freundlicha: Wartość stałej k:. Wartość stałej n:.. 6. Równanie izotermy Freundlicha (adsorpcja w temp. 70 C): Nr próbki C 70 [mg/ml] Logc 70 a 70 [mg/1g węgla] Loga 70 1 2 3 4 5 Równanie liniowe izotermy Freundlicha: Wartość stałej k 70 :. Wartość stałej n 70 :.. 7. Załączniki: Wykres krzywej wzorcowej A = f(c wz ) Wykres izotermy Freundlicha a = f(c r ) Wykres liniowej postaci izotermy Freundlicha loga = f(logc r ) 8. Wnioski: 11