Задания для самостоятельной работы на занятии
ПОВЕРХНОСТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ. АДСОРБЦИЯ.
ХРОМАТОГРАФИЯ. ПРИМЕНЕНИЕ В МЕДИЦИНЕ.
Цель занятия.
Познакомиться с основными понятиями, изучить закономерности процессов сорбции, их медико-биологическое значение, особенно в организме человека. Научиться применять на практике теоретические положения процессов адсорбции, изучить методы их исследования.
Приобрести знания по хроматографическим методам анализа, которые используются в биохимической и клинической практике. Научиться обосновывать применение конкретного хроматографического метода с учетом механизма разделения веществ.
Исходный уровень знаний
1. Понятие о поверхности раздела фаз и поверхностном натяжении.
2. Знание основных закономерностей термодинамики.
3. Знание теории электролитической диссоциации.
4. Умение готовить растворы заданной концентрации;
5. Работать на рH-метре;
6. Рассчитывать концентрацию ионов [H+] по значению pH.
После изучения темы студент должен:
— знать:
¾основные понятия процессов сорбции;
¾способы наблюдения явления адсорбции;
¾особенности энергетического состояния поверхностного слоя, факторы, влияющие на
свободную поверхностную энергию, сорбцию и её виды, отличия абсорбции и адсорбции;
¾абсорбцию газов, законы Генри и Сеченова, способы предупреждения кессонной болезни;
¾адсорбцию на неподвижной поверхности, основы теории моно- и полимолекулярной адсорбции, особенности адсорбции из растворов, правило Ребиндера, адсорбцию электролитов, ионообменную адсорбцию;
¾адсорбцию на подвижной поверхности, уравнение Гиббса, поверхностно-активные вещества;
¾теорию ионообменной адсорбции;
¾катиониты и аниониты, их свойства;
¾обменную емкость в статических и динамических условиях;
¾виды хроматографии
— уметь:
¾правильно применять теоретические знания для описания адсорбции на различных границах раздела фаз;
¾применять на практике методы исследования адсорбции для построения изотермы адсорбции;
¾выбирать хроматографический метод с учетом механизмом разделения веществ;
¾подбирать соответствующие адсорбенты и элюенты.
Учебно-целевые вопросы:
1. Поверхностная энергия и поверхностное натяжение. Изотерма поверхностного натяжения. ПАВ. Правило Дюкло-Траубе.
2. Адсорбция на границах раздела газ-жидкость и жидкость-жидкость. Уравнение изотермы адсорбции Гиббса. Законы Генри и Сеченова. Роль адсорбции в жизнедеятельности организма.
3. Адсорбция на твердых поверхностях. Уравнения и изотермы адсорбции Ленгмюра и Фрейндлиха.
4. Теория адсорбции. Полимолекулярная адсорбция. Теория БЭТ (Брунауэр, Эммет, Теллер).
5. Теория адсорбции электролитов. Правило Панета-Фаянса. Молекулярная и ионная адсорбция.
6. Ионнообменная адсорбция. Иониты. Применение в медицине и биологии для консервирования крови, определения кислотности желудочного сока, для детоксикации, в качестве антацидных средств, для предотвращения ацидозов и т.д.
7. Хроматография. Сущность метода. Принципы классификации хроматографических методов. Применение в медицине и биологии для идентификации веществ, а также для решения диагностических, клинических и токсикологических задач.
8. Значение адсорбции в биологии и медицине. Основные закономерности физиологических процессов, протекающих на поверхностях биомембран (дыхание, пищеварение, экскреция и др.). Гемосорбция
Вопросы и задания для самоподготовки
(обязательные домашние задания, выполняемые в отдельной тетради)
1.Что характеризует адсорбционное равновесие? Как влияют на него концентрация адсорбата и температура?
2.В чем различие между физической адсорбцией и хемосорбцией?
3.В чём принципиальное различие между уравнениями Лэнгмюра и Фрейндлиха?
4.Графическое определение величины К в уравнении Ленгмюра.
5.«Частокол» Ленгмюра. Определение длины молекул ПАВ.
6.Правило Ребинднра. Подтвердите примерами.
7.Виды хроматографии. Фаторы, влияющие на степень хроматографического разделения веществ.
8.Ионообменная хроматография. Использование в медицине.
9.Пользуясь правилом Дюкло-Траубе найти, во сколько раз поверхностная активность амилового спирта (С5Н11ОН) больше поверхностной активности этилового спирта С2Н5ОН)?
10.По уравнению Ленгмюра найти величину адсорбции лейцина при 2930К, если величина предельной адсорбции Г = 8,710 -9 кмоль/м2, К=4,2, а равновесная концентрация равна 0,46 кмоль/м3.
11.Изобразите графическую зависимость величины поверхностного натяжения для растворов хлорида натрия и уксусной кислоты в зависимости от их концентраций.
12.. Используя уравнение Фрейндлиха, вычислить равновесную концентрацию уксусной кислоты, если 1 г угля адсорбирует 3,76 ммоль уксусной кислоты; К=2,82, n=2,44.
13.Найти величину равновесной концентрации треонина в области малых концентраций, если величина адсорбции вещества Г=10.1810-14 кмоль/ м2, предельная адсорбция Г =8,710 -9 кмоль/м2, К=4.2.
14.Расположите катионы и анионы солей в порядке возрастания их адсорбционной способности: BaCl2, NaF, MgSO4, KBr, CaI2.
15.Найти величину удельной адсорбции глицина, если равновесная концентрация
С =0.118 ммоль/ см3, lgK=0,53, 1/n=0.40.
Задания для самоконтроля (включены в коллоквиум и зачетное занятие)
1.Поглощение вещества всей массой адсорбента называется:
1) адсорбцией 2) абсорбцией 3) сорбцией 4) десорбцией
2.Поглощение вещества поверхностью адсорбента называется:
1) адсорбцией 2) абсорбцией 3) сорбцией 4) десорбцией
3.При физической адсорбции частицы удерживаются на поверхности адсорбента за счёт:
1) химического взаимодействия 2) межмолекулярных сил Ван-дер-Ваальса
3) проникновения в поры адсорбента 4) всех перечисленных факторов
4.Адсорбция- экзотермический процесс, поэтому при увеличении температуры величина адсорбции:
1) уменьшается 2) увеличивается
3) не меняется 4) сначала увеличивается, а затем уменьшается
5.Адсорбция газов на твёрдых адсорбентах- экзотермический процесс, поэтому величина адсорбции при охлаждении:
1) сначала падает, потом не меняется 2) уменьшается
3) не меняется 4) возрастает
6.Выберите верное утверждение:
1) атомы и молекулы на границе раздела фаз обладают большей энергией по сравнению с атомами и и молекулами в глубине фазы
2) атомы и молекулы на границе раздела фаз обладают меньшей энергией по сравнению с атомами и молекулами в глубине фазы
3) атомы и молекулы на границе раздела фаз и в глубине фазы обладают одинаковой энергией
4) атомы на границе раздела фаз обладают большей энергией, чем в глубине фазы, а молекулы - наоборот.
7.Способность вещества изменять значение поверхностного натяжения, характеризующаяся величиной при С 0, называется:
1) адсорбцией 2) десорбцией
3) потенциальной активностью 4) поверхностной активностью
8.Единицы измерения поверхностного натяжения
1) Н/м 2) Н/м2 3) Дж/м 4) Дж/мольК
9.Изотерма адсорбции Ленгмюра характеризуется уравнением:
1) Г=Г С/(C+К) 2) Г=СК 3) х/m=КС1/n 4) Г=СV/m
10.Изотерма адсорбции Фрейндлиха характеризуется уравнением:
1) Г=Г С/(C+К) 2) Г=СК 3) х/m=КС1/n 4) Г=СV/m
11.Чем лучше адсорбат растворяется в данном растворителе, тем он адсорбируется из этого растворителя:
1) хуже 2) природа адсорбата не влияет на адсорбцию
3) лучше 4) скорость адсорбации определяется только температурой
12.К поверхностным явлениям относятся процессы, протекающие:
1) с изменением химического состава системы
2) в межфазном поверхностном слое
3) между веществами в одной фазе
4) без изменения химического состава системы
13.Молекулярная адсорбция зависит от:
1) природы адсорбента, адсорбата, растворителя
2) температуры
3) всех перечисленных факторов
4) только от природы растворителя
14.Согласно правилу Дюкло-Траубе поверхностная активность с увеличением длины углеводородного радикала на одну группу СH2 группу:
1) увеличивается в 3-3.5 раза 2) уменьшается в 3-3.5 раза
3) не изменяется 4) увеличивается в 4-4.5 раза
15.К ПАВ относятся вещества, которые:
1) не влияют на процесс адсорбции на границе раздела фаз
2) уменьшают поверхностное натяжение на границе раздела фаз
3) не влияют на поверхностное натяжение на границе раздела фаз
4) увеличивают поверхностное натяжение на границе раздела фаз
16.К ПИВ относятся вещества, которые:
1) увеличивают поверхностное натяжение на границе раздела фаз
2) не влияют на процесс адсорбции на границе раздела фаз
3) не влияют на поверхностное натяжение на границе раздела фаз
4) уменьшают поверхностное натяжение на границе раздела фаз
17.Среди перечисленных веществ выберите ПИВ:
1) бутановая кислота 2) NaNO3 3) пальмитат калия 4) все перечисленные
18.Среди перечисленных веществ выберите ПАВ:
1) NaCl 2) фосфолипиды 3) Nа2SO4 4) NaNO3
19.Ионы электролитов лучше адсорбируются на:
1) неполярных адсорбентах
2) ионы электролитов не адсорбируются на адсорбентах
3) природа адсорбента значения не имеет
4) полярных адсорбентах
20.Из ионов одинакового заряда максимальную адсорбционную способность проявляют:
1) ионы наибольшего радиуса
2) величина радиуса иона значения не имеет
3) ионы наименьшего радиуса
4) ионы с радиусом, близким к радиусу молекул адсорбента
21.Из неполярных растворителей с ростом длины гидрофобного радикала величина адсорбции:
1) увеличивается 2) уменьшается
3) не меняется 4) природа растворителя не влияет на величину адсорбции
22.Зависимость величины адсорбции от равновесной концентрации или парциального давления при постоянной температуре называется:
1) адиабатой 2) изохорой
3) изобарой 4) изотермой
23.При адсорбции из водных растворов на угле стеарат натрия ориентируется в сторону угля:
1) гидрофобным концом 2) ориентация может быть любой
3) карбоксильной группой 4) не происходит процесс адсорбции
24.Олеат натрия из раствора в бензоле будет лучше адсорбироваться:
1) на угле
2) на силикагеле
3) в равной степени на угле и на силикагеле
4) природа адсорбента не имеет значения
25.Наименьшей величиной поверхностной активности обладает:
1) бутанол-2 2) этанол 3) метанол 4) пропанол-1
26.Из предложенных ионов: Li+,Ba2+,Al3+ минимальной адсорбционной способностью обладает:
1) Li+ 2) Ba2+ 3) Al3+ 4) адсорбционная способность катионов одинаковая
27.Из предложенных ионов: Br-, SO42-,PO43-; максимальной адсорбционной способностью обладает:
1) Br- 2) SO42- 3) PO43- 4) адсорбционная способность анионов одинаковая
28.Наибольшей величиной поверхностной активности обладает кислота:
1) муравьиная 2) пропановая 3) этановая 4) масляная
29.К ПАВ относятся:
1) BaSO4 2) CH3COONa 3) C17H35COONa 4) K2SO4
30.К ПНВ относятся:
1) белки 2) фосфолипиды 3) сахароза 4) олеат натрия
Задания для самостоятельной работы на занятии
1.Вычислите величину адсорбции пропионовой кислоты C2H5COOH из раствора с концентрацией 0,12 кмоль/м3 при 15С. Поверхностное натяжение раствора и воды при 15С равны соответственно 63,310-3 н/м и 73,49 10-3 н/м.
(Ответ: 4.2510-6 кмоль/м2)
2.Используя уравнение Ленгмюра, найти величину адсорбции при 298К, если величина предельной адсорбции Г= 7,8510-9 кмоль/м2, равновесная концентрация c = 0,75 кмоль/м3, а К = 0,42. (Ответ: 5.0310-9 кмоль/м2)
3.Найти величину равновесной концентрации серина, если удельная адсорбция равна 0,022 кмоль/кг, К = 0,35, n = 4,0. (Ответ: C=1.5810-5 кмоль/м3)
4.Таблетка активированного угля массой m = 2,5 г помещена в 50мл 0,2 М раствора уксусной кислоты. Рассчитать число моль CH3COOH адсорбируемого 1г угля, если на титрование 10 мл вышеуказанного раствора после прохождения адсорбции ушло 6,00 мл 0,05 М раствора NaOH. (Ответ: Г=3.410-3 моль/г)
5.Какие из веществ NaCl, CH3COONa, C2H5COOH и как будут менять поверхностное натяжение воды. У какой из кислот поверхностная активность больше и во сколько раз?
6.Найти равновесную концентрацию уксусной кислоты, для которой удельная адсорбция по уравнению Фрейндлиха равна 0,012 кмоль/кг, К = 0,25, n = 3,1.
(Ответ: 8.1610-5 кмоль/м3)
7.Для нижеперечисленных солей расположить катионы и анионы в порядке возрастания их адсорбционной способности: Li2SO4, KCl, NaBr, MgI2.
8.Пользуясь правилом Дюкло-Траубе, найти во сколько раз поверхностная активность валериановой кислоты C4H9COOH больше поверхностной активности уксусной кислоты CH3COOH. (Ответ: ~25 раз.)
9.По уравнению Ленгмюра найти величину максимальной адсорбции, если при равновесной концентрации 0.03 кмоль/м3 величина адсорбции равна 610-3 кмоль/м2, К=0.8. (Ответ: 0.166 кмоль/м2)
10.Определить адсорбцию (кмоль/м2) при 15С для водного раствора, содержащего 29 г/л ацетона, если поверхностное натяжение раствора составляет 59,410-3 н/м, а для воды 73.510-3 н/м. (Ответ: 5,8810-9 кмоль/м2)
11.При уменьшении концентрации новокаина в растворе с 0,2 моль/л до 0,15 моль/л поверхностное натяжение возросло с 6,910-2 н/м до 7,110-2 н/м, а у раствора кокаина при аналогичном уменьшении концентрации поверхностное натяжение возросло с 6,510-2 н/м до 7,010-2 н/м. Сравните величину адсорбции двух веществ в данном интервале концентраций при Т = 293К. (Ответ: Гнов=2.8710-6 кмоль/м2, Гкок=7.1910-6 кмоль/м2)
12.Определить тип адсорбции при растворении в воде серной кислоты, если концентрация серной кислоты в воде равна 2,33 моль/л, поверхностное натяжение раствора 75,2010-3 н/м, поверхностное натяжение воды 73,0510-3 н/м, t = 18С
(Ответ: Г=-4.4410-7 кмоль/м2)
13.Какая масса холестерина адсорбируется из плазмы крови, содержащей 4,8 мкмоль/мл холестерина, если К = 2 мкмоль/мл, Мхол = 386 г/моль. Величина ёмкости адсорбента АДБ по холестерину Г = 0,7 мкмоль/г.(Ответ: m=1.8910-4 г)
14.Экспериментально установлено, что величина максимальной адсорбции на угле составляет 3,010-3 моль/г, величина К = 6,010-2 моль/л. Какая масса пропионовой кислоты (адсорбата) адсорбировалась из раствора, в котором установилась равновесная концентрация 0,1 моль/л, если масса адсорбента 1г.
(Ответ: m=0.139 г)
15.Определить адсорбцию в кмоль/м2 для 20% раствора серной кислоты при 18С (пл. =1,143 г/м3), если поверхностное натяжение этого раствора составляет 75,210-3 н/м, а воды 73,010-3 н/м. (Ответ: Г=-8.8910-9 кмоль/м2)
16.Поверхностное натяжение водного раствора, содержащего поверхностно-активное вещество (ПАВ) в концентрации 0,056 моль/л при 293К равно 4,3310-2н/м. Вычислите величину адсорбции ПАВ из раствора с концентрацией 0,028 моль/л при 293С. (Ответ: Г=6.0610-6 моль/м2)
17.В 50 мл раствора KCl с начальной концентрацией С0 = 100 моль-экв/м3 внесли 1г сульфокатионита в H+-форме. Рассчитайте равновесную концентрацию калия в ионите, если полная обменная ёмкость катионита равна 5 моль-экв/кг, а константа ионного обмена равновесия КК+СмН+ = 2,5. (Ответ: 3.06 кг/моль)
18.В 200 мл 0,12 н раствора KOH ввели 5г воздушно-сухого катионита в H+-форме. После установления равновесия отфильтровали 100млраствора, для нейтрализации которого потребовалось 20 мл 0,12 н раствора HCl. Определить полную обменную ёмкость катионита. (Ответ: 3.84 моль-экв./кг)
19.В 150 мл раствора серной кислоты с концентрацией 0,110 моль/л ввели 3г катионита в Na+-форме. После установления равновесия отобрали 50 мл раствора, для нейтрализации которого потребовалось 22 мл 0,05 м раствора KOH, рассчитайте полную обменную ёмкость анионита. (Ответ: 9.9 моль-экв/кг)
20.Полная обменная ёмкость сухого катионита в K+-форме равна 4,8 моль-экв/кг. Определите предельно возможную массу кобальта (II) и бария (II), которую может сорбировать из соответствующих растворов 1кг исходного ионита.
Ответ: 141.4 г кобальта, 329.6 г бария.
Лабораторные работы
1. Изотерма адсорбции уксусной кислоты углем.
Темы докладов УИРС
1. Медико-биологическое значение адсорбции.
2. Гемосорбция.
3. Сорбционное равновесие и константа распределения.
4. Бумажная хроматография кислородсодержащих и азотсодержащих органических соединений: стероидов, аминокислот, пептидов, витаминов, антибиотиков.
5. Бумажная хроматография неорганических соединений.
6. Основы ионообменной хроматографии и применение ионитов в биохимии.
7. Гель-хроматография. Разделение антибиотиков.
8. Катионные и анионные ПАВ. Четвертичные аммониевые основания (ЧАО) как антисептики.
9. Тонкослойная хроматография (ТХС). Применение в медико-биологических исследованиях.
10. Роль поверхностно-активных веществ (ПАВ) в поддержании гидрофильно-липофильного баланса в организме человека.
11. Применение ионообменной адсорбции для очистки питьевой воды и сточных вод.
12.Гемо- и лимфосорбция как метод сорбционной детоксикации организма человека
Литература:
1. Курс лекций.
2. Ершов Ю.А., Попков. В.А., и др. Общая химия. М., 1993, 2010, с. 423-446.
3. Практикум по общей химии. Под. ред. Попкова В.А., А.В. Бабкова.М., Высшая школа, 2013, с. 167-180.
4. Слесарев В.И. Химия. Основы химии живого. СПб, «Химиздат», 2009, с. 681-707.
5. Пузаков С.А., Попков В.А., Филиппова А.А. Сборник задач и упражнений по общей химии., М., Высшая школа, 2014 с. 192-205
6. Литвинова Т.Н. Сборник задач по общей химии.М., ОНИКС, Мир и образование, 2007г., с.165-196
5. Практические работы по общей, физической и коллоидной химии. Под.ред. Хорунжего В.В. Издание ГОУВПО СПбГПМА, 2004,с.31-41
6. Евстратова К.И. и другие. Физическая и коллоидная химия.М.,1990, с.303-364.
7. Методические указания для самостоятельной работы студентов. Физическая и коллоидная химия. СПб, 2008, с. 12-19.