ADSORPCJA PARACETAMOLU NA WĘGLU AKTYWNYM

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
am
K
p
- ilość substancji (wyrażona w molach lub gramach) zaadsorbowana na jednostkowej masie
adsorbentu
- ilość substancji zaadsorbowana na jednostkowej masie adsorbentu, gdy wszystkie centra
adsorpcji są zajęte (czyli w nasyconej monomolekularnej warstwie)
- stała będąca ilorazem stałej szybkości adsorpcji i stałej szybkości desorpcji
- 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 am 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 am).
2
Ryc. 2 Postać liniowa izotermy Langmuira.
Izoterma Freundlicha
Jest to empirycznie wyprowadzone równanie, które może opisywać proces adsorpcji wielowarstwowej.
Równanie to ma postać:
∙
(3)
gdzie:
a
c
k
n
- 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 (po)
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.
2.
3.
4.
Hermann T.W.: Farmacja fizyczna. Wydawnictwo Lekarskie PZWL, Warszawa 1999.
Hermann T.W.: Chemia fizyczna. Wydawnictwo Lekarskie PZWL, Warszawa 2007.
Pigoń K., Ruziewicz Z., Chemia fizyczna. Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2005.
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
1
Masa węgla
aktywnego [mg]
100
Objętość [ml] roztworu
paracetamolu o stęż. 12,5 mg/ml
8,0
Objętość 0,1 mol/l HCl
[ml]
----
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 λmax = 243 nm. Jako próby
odniesienia (do kalibracji spektrofotometru) użyć 0,1 mol/l roztworu HCl.
b. Sporządzić wykres krzywej wzorcowej A = f(Cwz) 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 λmax = 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:
Cr – 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(Cr). 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
1
Stężenie paracetamolu
Cwz [µg/ml]
12,5
2
10,0
3
7,5
4
5,0
5
2,5
6
1,25
Absorbancja
(λmax = 243 nm)
Krzywa wzorcowa zależności A = f(cwz)
Współczynnik kierunkowy
a
Punkt przecięcia z osią OY
b
Błąd punktu przecięcia
Sb
Współczynnik korelacji
r
Czy współczynnik b jest istotny?
TAK / NIE
Ostateczne równanie krzywej wzorcowej A = f(cwz) (z uwzględnieniem istotności współczynnika b):
………………………………………………………………………………
2. Obliczenie początkowej ilości paracetamolu w próbkach poddanych inkubacji z węglem aktywnym.
Nr próbki
Stężenie paracetamolu w próbce
Ilość paracetamolu w próbce
Cp [mg/ml]
Xp [mg]
1
2
3
4
5
9
Czas inkubacji: ……………………………………………………..
Temperatura inkubacji: …………………………………………….
Szybkość wytrząsania: ………………………………………………
3. Obliczenie stężenia paracetamolu w próbkach w stanie równowagi adsorpcyjnej (po inkubacji).
Nr próbki
Absorbancja
rozcieńczenie
Stężenie paracetamolu w stanie równowagi
Cr [mg/ml]
(λmax=243 nm)
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 Xp
Ilość paracetamolu
w próbce w stanie
równowagi Xr
Ilość paracetamolu
zaadsorbowana na
100 mg węgla
aktywnego Xa = Xp - Xr
a
[mg]
[mg]
[mg]
[mg]
[mg/1g węgla]
1
100
2
100
3
100
4
100
5
100
5. Równanie izotermy Freundlicha (adsorpcja w temp. 37˚C):
Nr próbki
Cr [mg/ml]
logCr
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
C70 [mg/ml]
Logc70
a70 [mg/1g węgla]
Loga70
1
2
3
4
5
Równanie liniowe izotermy Freundlicha: ……………………………………………………………………
Wartość stałej k70: ………………………………………………………….
Wartość stałej n70: …………………………………………………………..
7. Załączniki:
• Wykres krzywej wzorcowej A = f(Cwz)
• Wykres izotermy Freundlicha a = f(Cr)
• Wykres liniowej postaci izotermy Freundlicha loga = f(logCr)
8. Wnioski:
11