Ćwiczenie 2: Właściwości osmotyczne łaściwości

Ćwiczenie 2: Właściwości osmotyczne koloidalnych roztworów biopolimerów.
1.
Część teoretyczna
Właściwości koligatywne
cej składnikowych, przy czym dotyczy
dotycz
Zjawiska osmotyczne związane są z równowagą w układach dwu- lub więcej
roztworów substancji nielotnych (soli, polisacharydów, białek) w jednym
j dnym lub kilku roztworach. Do tej grupy
zjawisk zaliczy możnaa obniżenie temperatury krzepnięcia
krzepnię
(krioskopię), podwyższenie
szenie temperatury wrzenia
(ebulioskopia)
oskopia) rozpuszczalnika, a także
takż ogólnie pojęte ciśnienie osmotyczne. Ciśnienie
nienie osmotyczne bardzo
często kojarzone jest z aktywności
ci wodną
wodn surowców i produktów spożywczych.
ywczych. Istota omawianych zjawisk
związana jest ze zmianą prężności (ciśnienia) pary nasyconej, którą wywołuje rozpuszczenie substancji
nielotnej. Bardzo często tę właśnie
nie grupę
grup zjawisk określa się mianem koligatywnych czyli spokrewnionych.
Powodem takiego zachowania roztworów są
s oddziaływania pomiędzy cząsteczkami
steczkami rozpuszczalnika i substancji
rozpuszczonej:
ej: asocjacja czy tez solwatacja. Zmiana temperatury wrzenia i krzepnięcia
krzepni cia jest proporcjonalna do
masy cząsteczkowej
steczkowej substancji rozpuszczonej. Pomiar zmian tych charakterystycznych temperatur jest
wykorzystywany do wyznaczania masy molowej lub średniej masy cząsteczkowej
steczkowej biopolimeru.
Pojęcie ciśnienia osmotycznego (π
π) odnosi się do zjawiska osmozy, jakie zachodzi pomiędzy
pomi
roztworem a
czystym rozpuszczalnikiem przy założeniu,
zało
że są one oddzielone membraną czyli przegrodą
przegrod przepuszczalną
tylko dla cząsteczek rozpuszczalnika
Z powodu obecności
ci błony dochodzi do „przeciwnego” w stosunku do klasycznej dyfuzji zachowania
cząsteczek.
czek. Oto zamiast naturalnego dążenia
dąż
układu do wyrównania stężenia substancji rozpuszczonej następuje
wędrówka cząsteczek
steczek rozpuszczalnika do roztworu. Układ dąży do stanu równowagi
gi poprzez „zagłuszenie”
obecności
ci substancji rozpuszczonej w roztworze.
tworze. Przepływ rozpuszczalnika zachodzi do momentu wyrównania
potencjałów chemicznych zarówno rozpuszczalnika jak i substancji
substancji rozpuszczonej po obu stronach przegrody.
Objawem zjawiska jest wzrost objętości
obję
roztworu, powodujący zmniejszenie stężenia
enia substancji nielotnej.
Proces osmozy w układzie jest samorzutny, można
mo
go zahamować a nawet odwrócić działając zewnętrznym
ciśnieniem, większym od ciśnienia
nienia 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 prężno
ności pary nad roztworem w kontekście
cie zmian temperatury wrzenia czy też
te
krzepnięcia.
cia. Na zjawisko osmozy można
mo
popatrzeć dwojako. Z jednej strony definiuje się
si je w oparciu o ilość
Opracowały: dr hab. inż. Anna Ptaszek, dr inż. Joanna Kruk
Strona 1
Ćwiczenie 2: Właściwości osmotyczne koloidalnych roztworów biopolimerów.
rozpuszczalnika, która przemieszcza się
si przez membranę do roztworu powodującc jego rozcieńczenie.
rozcie
Stan
równowagi osiągany
gany jest w momencie, w którym w roztworze jest tak dużo
du o rozpuszczalnika, ze stężenie
st
substancji rozpuszczonej jest „pomijalnie” małe. Ale należy
nale również pamiętać, żee rozpuszczenie biopolimeru
czy tez soli powoduje obniżenie pręż
ężności pary nad roztworem. Na przepływ rozpuszczalnika przez membranę
membran
można popatrzeć jako na dążenie
enie układu do przywrócenia prężności
pr
ci 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
powinowactwe
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,
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
stę
powoduje
gwałtowne obniżenie ciśnienia osmotycznego. Im większe stężenie tego biopolimeru tym mniejsza
rozpuszczalność w wodzie. Rozpuszczenie karagenu w gorącej wodzie a następnie schłodzenie takiego
t
roztworu
powoduje wytworzenie żelu, czyli ciała stałego
stałego o uporządkowanej strukturze. Zjawisko to jest konsekwencją
niewielkiego powinowactwa tego biopolimeru do wody.
Opracowały: dr hab. inż. Anna Ptaszek, dr inż. Joanna Kruk
Strona 2
Ćwiczenie 2: Właściwości osmotyczne koloidalnych roztworów biopolimerów.
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 cm3 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
Ćwiczenie 2: Właściwości osmotyczne koloidalnych roztworów biopolimerów.
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 cm3 roztworu.
Założyć rękawiczki ochronne.
Badany roztwór znajdujący się w membranie przelać do cylindra miarowego i odczytać objętość.
Czynność powtórzyć dla wszystkich badanych roztworów.
Objętość wody, ml
roztwór
Stężenie,
g/100ml
biopolimer 1
1
2
3
4
5
Opracowały: dr hab. inż. Anna Ptaszek, dr inż. Joanna Kruk
Strona 4
biopolimer 2
biopolimer 3
Ćwiczenie 2: Właściwości osmotyczne koloidalnych roztworów biopolimerów.
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.
roztwór
1
2
3
4
5
Stężenie, g/100ml
0,050
0,100
0,200
0,500
1,000
Objętość wody, ml
biopolimer 2
2,0
3,5
2,5
2,0
2,5
biopolimer 1
5,0
12,5
26,0
72,0
100,0
biopolimer 3
10,0
8,5
6,0
3,5
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
objętość, ml
100,0
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
Ćwiczenie 2: Właściwości osmotyczne koloidalnych roztworów biopolimerów.
12,0
objętość, ml
10,0
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.
4,0
3,5
objętość, ml
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
c (stężenie), g/100ml
Rys 5. Wyniki pomiarów dla roztworów biopolimeru 2.
Opracowały: dr hab. inż. Anna Ptaszek, dr inż. Joanna Kruk
Strona 6
1,200
Ćwiczenie 2: Właściwości osmotyczne koloidalnych roztworów biopolimerów.
4. Sprawozdanie
W sprawozdaniu proszę umieścić
•
Tabelkę według wzoru
Data wykonania ćwiczenia
Specjalność
Temat ćwiczenia
Numer grupy
Data oddania sprawozdania
Ocena
Imię i nazwisko
•
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