Właściwości koligatywne, współczynnik van\'t Hoffa - opracowanie zagadnień na wejściówkę, przykładowe pytania PDF

Preview

Summary

Opracowanie własne na podstawie materiałów otrzymanych od prowadzących...

Description

Ćw. 1 Wyznaczanie masy molowej, współczynnika izotonicznego van’t Hoffa metodą pomiaru ciśnienia osmotycznego Cel: Praktyczne wykorzystanie własności koligatywnych: obniżenia temperatury krzepnięcia, ciśnienia osmotycznego do wyznaczenia masy cząsteczkowej nieznanej substancji niejonizującej. Obliczenie współczynnika van't Hoffa oraz stopnia dysocjacji u rozcieńczonych roztworów NaCl i NaS04. Właściwości koligatywne Jeśli nielotna substancja jest rozpuszczona w lotnym rozpuszczalniku, tylko rozpuszczalnik przechodzi w stan pary nad roztworem. Substancja rozpuszczalna modyfikuje właściwości fizyczne powstałego roztworu: ● Obniża prężność par rozpuszczalnika nad roztworem. Na podstawie prawa Raoulta ciśnienie (prężność) par rozpuszczalnika zawierającego substancję nielotną jest proporcjonalnie niższe względem liczby cząsteczek lub jonów substancji rozpuszczonej względem ich masy. ● Obniżenie Tkrzepnięcia roztworu - efekt krioskopowy ● Podwyższenie Twrzenia roztworu - efekt ebulioskopowy ● Ciśnienie osmotyczne Wszystkie te właściwości powodują zmiany w zachowaniu się rozpuszczalnika i są zależne od liczby cząsteczek substancji rozpuszczonej, a nie od ich natury chemicznej → Dlatego nazywają się właściwościami koligatywnymi (zebranymi razem z greckiego). Dlatego też wszystkie wodne roztwory dowolnych nieelektrolitow o jednakowych stężeniu powinny mieć taką samą Twrzenia, Tkrzepnięcia i ciśnienie osmotyczne. Obniżanie Tkrzepnięcia Jeśli nielotna substancja rozpuszczona zostaje w ciekłym rozpuszczalniku w punkcie potrójnym, ciśnienie par ciekłego rozpuszczalnika obniża się w stosunku do czystego rozpuszczalnika. W celu ustalenia nowego stanu równowagi, trzeba obniżyć temperaturę. Punkt krzepnięcia roztworu jest zawsze niższy niż czystego rozpuszczalnika. ΔTk jest proporcjonalna do stężenia molalnego m substancji rozpuszczonej. Drugie równanie jest użyteczne jeśli chcemy obliczyć punkt krzepnięcia jako molalność w mol/kg; m=w, M=ni-liczba moli Molalność m - stężenie molalne roztworu mi, ilość moli ni związku osmotycznie czynnego w określonej masie rozpuszczalnika (mrozpuszczalnika); jednostka: mol/kg rozpuszczalnika

W temperaturze pokojowej 20 stopni różnica między stężeniem molowym a molalnym roztworów jest nieznaczna, bo gęstość wody to 1kg/l. W przypadku roztworów wodnych,

gdzie gęstość jest bardzo zbliżona, między molalnością a molarnością nie ma istotnej różnicy. Dla etanolu o d=0,79kg/l roztwór 1M będzie 0,79 m roztworem. W biochemii dla określenia aktywności osmotycznej składników roztworu używa się osmolalności. 1osmolowy roztwór (1 Osm/kg H2O) zawiera 1 mol niezjonizowanej substancji w 1 kg wody. Jeśli związek dysocjuje, ciśnienie osmotyczne będzie zależało od liczby cząstek zdysocjowanych i niezdysocjowanych. W przypadku 1m NaCl roztwór ten może teoretycznie wywierać ciśnienie osmotyczne 2,0 Osm/kg H20, pod warunkiem, że będzie całkowicie dysocjował (α=1), a współczynnik izotoniczności van't Hoffa = 2 . W praktyce wartości te są mniejsze 1,86 przez oddziaływania między dodatnio (Na) i ujemnie (Cl ) naładowanymi jonami. Dla przykładu: roztwór 0,9% (0, 154 m) NaCl wywiera ciśnienie osmotyczne ok. 280 mOsm/kg, teoretycznie mógłby wynosić nawet 308 mOsm. Dzieje się tak dlatego, że współczynnik jest mniejszy niż 2, ok. 1,9. Osmolalność płynów ustrojowych: 280-300 mOsm/kg H2O Moczu: 850 mOsm/kg H2O Molarność - liczba moli danej substancji chemicznej w określonej objętości roztworu; mol/m3. Molarność zależy od T, bo objętość roztworu zmienia się z temperaturą. Molarność = stężenie molowe, a molalność = stężenie molalne Wyznaczanie masy molowej na podstawie Tk - masa cząsteczkowa substancji nielotnej rozpuszczonej może być wyznaczona podstawie obniżenia Tk substancji przez przekształcenie równania:

Osmoza Przechodzenie czystego rozpuszczalnika przez półprzepuszczalną błonę do oddzielonego roztworu. Membrana jest przepuszczalna dla rozpuszczalnika, ale nie dla substancji rozpuszczonej. Ciśnienie osmotyczne П - ciśnienie, które musi być przyłożone do roztworu, żeby zatrzymać napływ rozpuszczalnika, czyli zatrzymać osmozę. Jest proporcjonalne do stężenia substancji rozpuszczonej. Ciśnienie przeciwdziałające przechodzeniu rozpuszczalnika do roztworu, czyli ciśnieniu osmotycznemu, pochodzi od ciśnienia hydrostatycznego słupa cieczy, który powstaje pod wpływem osmozy.

Najważniejsza osmoza w ciele: Przenikanie płynów ustrojowych przez błony komórkowe. ○ Chorym dożylnie trzeba podawać roztwór izotoniczny z osoczem, czyli 0,9% NaCl i 5% glukozy ○ Po daniu roztworu hipotonicznego zachodzi hemoliza - nieodwracalne zniszczenie erytrocytów ○ Roztwory 10, 20% glukozy są stosowane do uzupełnienia niedoporów energetycznych, podawane drogą parenteralną. Roztwór hipertoniczny ma wyższe stężenie związków osmotycznie czynnych niż wnętrze komórki (utrata wody i plazmoliza), a hipotoniczny mniejsze (pęcznienie i deplazmoliza). Deplazmoliza zajdzie tylko, gdy białka błony nie uległy denaturacji, a sama błona jest nienaruszona i ma zachowaną półprzepuszczalność. Równanie Morse’a - zastosowanie do roztworów rozcieńczonych Morse wykazał, że jeśli zamiast stężenia molowego zastosujemy molalne, uzyskane ciśnienie osmotyczne będzie bardziej zbliżone do wartości eksperymentalnych. Przeliczanie osmolalności na osmolarność Różnica między stężeniem molalnym i molarnym jest mała (1-2%), więc w praktyce częściej używa się molowego. Termodynamiczne wyjaśnienie ciśnienia osmotycznego - wyprowadzenie równania van’t Hoffa Z punktu widzenia termodynamiki, osmoza opiera się na założeniu, że w stanie równowagi układu rozpuszczalnik-roztwór potencjał chemiczny rozpuszczalnika po obu stronach półprzepuszczalnej membrany.

jest taki sam

Czysty rozpuszczalnik jest pod ciśnieniem p, a roztwór pod p+П ze względu na dodatkowe ciśnienie, które musi zostać przyłożone, by roztwór pozostał w stanie równowagi. -

Potencjał chemiczny rozpuszczalnika pod ciśnieniem p: Potencjał chemiczny rozpuszczalnika w roztworze jest niższy przez obecność substancji rozpuszczonej, ale wzrasta dzięki dodatkowemu ciśnieniu

Trzeba znaleźć dodatkowe ciśnienie П do zrównoważenia potencjału chemicznego rozpuszczalnika. Warunkiem równowagi jest:

1.

ale musimy wziąć pod uwagę efekt wywierany przez substancję rozpuszczoną - równanie opisujące potencjał chemiczny:

2.

- wpływ ciśnienia na nieściśliwą z założenia ciecz:

Współczynnik van’t Hoffa Wielkość ciśnienia osmotycznego charakteryzującego się własnościami koligatywnymi zależy od liczby cząsteczek, więc w przypadku związków dysocjujących należy uwzględnić stopień dysocjacji α, a dokładnie współczynnik izotoniczny i van’t Hoffa. Analogicznie postąpić w przypadku asocjacji. Przykład: Większą wartość ciśnienia osmotycznego będzie miał 0,1m NaCl ulegający dysocjacji niż 0,1m glukoza jako nieelektrolit → Współczynnik i określa ile razy wartość ciśnienia osmotycznego (w tym przypadku) wyznaczonego doświadczalnie przewyższa obliczoną z równania van’t Hoffa. Współczynnik i przedstawia stosunek wielkości koligatywnych wyznaczonych doświadczalnie do obliczonych z równań, dla roztworu o określonym stężeniu molowym: ○ Ciśnienia osmotycznego Π ○ Obniżenia Tk (t. krzepnięcia) ○ Podwyższenia Tw (t. wrzenia) ○ Obniżenia prężności par p

Zależność stopień dysocjacji α-wspołczynnik i van’t Hoffa Jeśli w roztworze elektrolitu o określonym stężeniu molalnym m (stężenie związku przed dysocjacją) znajdują się: ○ Formy zdysocjowane o stężeniu ○ Formy niezdysocjowane o stężeniu Efektywne stężenie roztworu osmotycznego m’ - łączne stężenie form zdysocjowanych i nie; w stanie równowagi dysocjacji wynosi:

Współczynnik L zmienia się wraz ze stężeniem roztworów. Stężenie leku izotoniczne z płynami ustroju człowieka to Lizo (L=i*K): ○ 1,86 dla nieelektrolitów ○ 2,0 dla słabych elektrolitów ○ 3,4 dla jednowartościowych elektrolitów (np. NaCl) Metody doprowadzania do izotoniczności roztworów ● Metody oparte o właściwości koligatywne: - krioskopowa - metoda równoważnika sodowego (izotonicznego równoważnika) Zasadniczo w obu chodzi o dodanie NaCl żeby uzyskać roztwór izotoniczny. ● Metoda Whita-Vincenta i jej uproszczona wersja: m. Sprowlsa - dodanie wody do substancji czynnej Metoda krioskopowa Ludzka krew i płyn łzowy mają obniżoną Tk o 0,52 K w stosunku do wody. Można wyznaczyć masę substancji potrzebnej do doprowadzenia roztworu do izotoniczności: Metoda równoważnika sodowego chloru Równoważnik chlorku sodu = izotoniczny równoważnik leku E - ilość gramów sodowego chlorku równoważna z 1g substancji leczniczej Metoda Whita-Vincenta i jej uproszczona wersja: m. Sprowlsa - dodanie wody do substancji czynnej. Metoda Sprowlsa polega na opracowaniu tabel z obliczonymi objętościami V roztworu izotonicznego, zakładając arbitralne przyjęcie masy substancji leczniczej. Część doświadczalna Osmometr - przyrząd do oznaczania osmolalności, czyli ciśnienia osmotycznego na podstawie obniżenia Tk roztworu w stosunku do rozpuszczalnika; do próbek rzędu 100 ul. Jednostki ○ Ciśnienie podaje w Pa (=N/m2), ale w praktyce klinicznej wyrażane jest w Osm lub mOsm. Roztwór zawierający 1 mol niezdysocjowanej substancji w 1 kg H2O to 1osmolalny roztwór.

○ Osmometr poda wynik w mOsm. Żeby go wyrazić w Pa, trzeba pomnożyć razy 2270 bo 1 mOsm = 2270 Pa.

○ Jeśli w obliczeniach użyjemy Osm/kg H2O, to wynik ciśnienia osmotycznego П otrzymamy w kPa, a jeśli w mOsm to w Pa

Wykres zmian T roztworu w trakcie wyznaczania ciśnienia osmotycznego Podczas pomiaru ciśnienia osmotycznego obserwujemy obniżenie T. Obniżenie Tk względem czystego rozpuszczalnika jest proporcjonalne do osmolalności roztworu. Probówka w komorze chłodzącej jest schładzana termoelektrycznie, wykorzystując efekt Peltiera. Początkowo T spada do -7 i uzyskuje się ciecz przechłodzoną, a potem mieszadło energicznie się rusza i zainicjowana zostaje krystalizacja → wydziela ona ciepło i T wzrasta do 0. Osmoza definicja - przechodzenie czystego rozpuszczalnika przez półprzepuszczalną membranę rozdzielającą roztwory o różnym stężeniu Ciśnienie osmotyczne definicja i jednostka - ciśnienie, które musi zostać przyłożone do roztworu, żeby zatrzymać osmozę [Pa, Osm, mOsm] Co to są wielkości koligatywne, podaj przykłady - właściwości fizykochemiczne roztworu zależne od liczby cząstek nielotnej substancji rozpuszczonej, a nie od jej natury chemicznej, Tk, Tw, ciśnienie osmotyczne, prężność par rozpuszczalnika nad roztworem Molalność a molarność - molarność to liczba moli substancji w danej objętości roztworu [mol/m3], a molalność - liczba moli związku osmotycznie czynnego w określonej masie rozpuszczalnika [mol/kg rozpuszczalnika] Równanie van’t Hoffa - � = [B]RT � - ciśnienie osmotyczne [B] - stężenie molowe substancji rozpuszczonej R - stała gazowa = 8,314 J/K*mol

T - temperatura [K] Wpływ ciśnienia osmotycznego na krwinki czerwone - roztwór hipertoniczny = plazmoliza; hipotoniczny = deplazmoliza, a nawet pękanie Wzór na obliczanie masy cząsteczkowej (można wyprowadzić c van’t hoffa) + wyprowadzenie jednostki z tego wzoru - M = 1000w2/w1*dTk � = [B]RT = m/MV*R*T M = mRT /�V Jaka jest zależność między współczynnikiem van’t Hoffa i dysocjacją i=1+a(n-1) jak jedno rośnie to drugie też Jakie są te współczynniki - wartości → chyba dla KBr i Na2SO4 ?????...