Osmometria

Osmometria
Ćwiczenie laboratoryjne nr 2
1
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 roz2
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 przemiesz-
cza 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 (http://www.gonotec.com)
Jedn komor wypełnia si czystym rozpuszczalnikiem a drug badanym roztworem. Nast pnie dokonuje si pomiaru ró nicy ci nie hydrostatycznych pomi dzy komorami. Tego typu
urz dzeniami mo na mierzy ci nienia do około 0,1 mmH2O co praktycznie pozwala bada
roztwory polimerów do masy cz steczkowej około 2 106 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 mo3
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 ma-
sie 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 (http://www.knauer.net)
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 40 - 40000 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 od-
działywa 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 wiria-
lu 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
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,
substancji rozpuszczonej natomiast
to st enie masowe
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 zero-
wego st enia biopolimeru przecina o odci tych w punkcie
osmometrycznych mo na okre li nie tylko mas cz steczkow czy te
. Na podstawie metod
redni liczbow ma-
s 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 wil-
gotno 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
ln (a1 ) = −
gdzie ∆V oznacza ró nic napi
∆VM 1
1000 I
pomi dzy czujnikami temperatury umieszczonymi przy kro-
pli rozpuszczalnika i badanego roztworu, M1 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