MF Skerget 1
description
Transcript of MF Skerget 1
1
1
Raztopine
Red. prof. dr. Škerget Mojca
2
1. Uvod
2. Proces raztapljanja
3. Nasičene raztopine, topnost in koncentracija
4. Koligativne lastnosti raztopin
Parni tlak, vrelišče in tališče
Osmoza in osmotski tlak
Koligativne lastnosti raztopin elektrolitov
5. Koloidne raztopine
6. Fazna ravnotežja (heterogena ravnotežja) Definicija
Nernstov porazdelitveni zakon
Henry – Daltonov zakon
Adsorpcija na trdnih površinah
Ravnotežni pojavi ob membranah
7. Uporaba separacijskih procesov Destilacija, Sušenje, Kristalizacija,
Ekstrakcija tekoče-tekoče, Dializa,
Kromatografija
2
3
Čiste snovi imajo definirano kemijsko sestavo in
definirane fizikalne lastnosti
s fizikalnimi metodami se ne dajo razgraditi oz. ločiti
Zmesi se običajno dajo ločiti v posamezne čiste snovi z uporabo
različnih fizikalnih metod
kemijska sestava zmesi ni definirana, fizikalne lastnosti zmesi
nihajo v širokih mejah.
Uvod - definicije
Raztopine so zmesi čistih snovi in so sestavljene iz topila in
v njem raztopljega topljenca.
Raztopine: 1. Uvod
4
Snovni sistem je:
homogen ena faza
heterogen več faz
Snovni sistem, ki se nahaja v nekem agregatnem stanju in
je navzven enoten, označimo kot fazo.
Disperzni sistem - zmes majhnih delcev dveh (ali več)
snovi, ki je navidezno homogena.
Glede na velikost delcev raztopine, koloide, suspenzije
Raztopine: 1. Uvod
3
5
disperzni
medij
Dispergirana
faza Primer
Plin tekočina atmosferska megla; aerosoI
trdno dim
plin voda (reke, morja)
tekočina tekočina oljne kapljice v vodi (emulzija),
vodna raztopina etanola
trdno suspenzija srebrovega klorida v vodi,
vodna raztopina natrijevega klorida
plin plovec (zračni mehurčki v kalcitu),
vodik v paladiju
trdno tekočina Amalgam
trdno medenina (cink+baker)
jeklo (ogljik+železo)
Disperzni sistemi
Raztopine: 1. Uvod
6
*
Snov
Homogene
snovi
Heterogene
zmesi
Čiste
snovi
Homogene
zmesi
Kemijski
elementi
Kemijske
vezi
* ** **
Razdelitev snovi (* = ločitev zahteva uporabo fizikalnih metod,
** = pretvorba snovi zahteva kemijske postopke).
Raztopine: 1. Uvod
4
7
Raztopine: 1. Uvod
8
Shema hidratacije in raztapljanja
(a) Ionski kristal (b) molekulski kristal
Proces raztapljanja
Raztopine: 2. Proces raztapljanja
Nastanek raztopine, to je porazdelitev gradnikov (molekul, ionov)
ene faze med gradniki druge faze omogočajo molekulske
(van der Waalsove) vezi.
Molekule topila privlačijo in obdajo molekule oz. ione topljenca
solvatacija oz. hidratacija.
5
9
Topilna entalpija - množina toplote, ki se sprošča ali porablja
pri raztapljanju 1 mola topljenca.
Izračunamo jo iz mrežne in solvatacijske energije.
Ker se pri nastanku vezi energija vselej sprošča, je solvatacija
(hidratacija) eksotermen proces.
Pri raztapljanju se lahko toplota sprošča ali porablja. Ko je:
• energija, ki se sprosti pri solvataciji > od energije, ki je potrebna
za prekinitev vezi v kristalu sistem se med raztapljanjem greje.
• energija, potrebna za prekinitev vezi v kristalu > energija, ki se
sprosti pri solvataciji sistem se med raztapljanjem hladi.
Raztopine: 2. Proces raztapljanja
10
podobno se topi v podobnem:
v polarnih topilih polarne snovi in ionski kristali,
v nepolarnih topilih nepolarne snovi
a b c
a - zgornja polarna faza (voda) in
spodnjo nepolarna faza (CH2Cl2)
b - nepolarni topljenec I2 se topi v
nepolarnem topilu
c - polarni topljenec Ni(NO3)2 se topi
v polarnem topilu.
Raztopine: 2. Proces raztapljanja
6
11
Namesto izrazov polaren / nepolaren uporabljamo
pogosto izraze :
hidrofilen / hidrofoben, če se nanaša na vodo oz.
lipofilen / lipofoben, če se nanaša na nepolarne lipide.
Raztopine: 2. Proces raztapljanja
12
Nasičene raztopine, topnost in koncentracija
Topnost je maksimalna količina topljenca, ki se
lahko raztopi v določeni količini topila.
Nasičena raztopina - raztopina, ki vsebuje
maksimalno množino topljenca
topnost izražamo na dva načina:
a) c = molarna koncentracija nasičene raztopine (mol/l)
b) t = masa topljenca na 100g topila (g/100 g topila)
Topnost je odvisna od temperature.
Raztopine: 3. Nasičene raztopine, topnost in koncentracija
7
13 Topnost trdnih snovi v vodi
Raztopine: 3. Nasičene raztopine, topnost in koncentracija
14
Topnost trdnih snovi v vodi
Topnost
(g t
oplj
enca
/ 1
00 g
vode)
Temperatura (°C)
Raztopine: 3. Nasičene raztopine, topnost in koncentracija
8
15
Topnost plinov v vodi
Topnost
(g t
oplj
enca
/ 1
00 g
vode)
Temperatura (°C)
Raztopine: 3. Nasičene raztopine, topnost in koncentracija
16
Koncentracijo običajno izražamo na naslednje načine:
(mol/L)V
nXc X
X
mol/kg)(XY
XX
m
nb
i
in
nx X
X
g/L)(XX
V
m
i
im
mw X
X
Masni delež
(odstotna koncentracija):
Masna koncentracija:
Molski delež :
Molalna koncentracija :
Molarna koncentracija:
Raztopine: 3. Nasičene raztopine, topnost in koncentracija
9
17
Koligativne lastnosti raztopin
znižanje parnega tlaka topila
zvišanje vrelišča
znižanje zmrzišča
osmozni tlak
odvisne od količine topljenca v določenem volumnu topila,
neodvisne od narave topljenca in topila.
0
iii Pxp Raztopine: 4. Koligativne lastnosti
18
Raztopina ima praviloma
nižji parni tlak od topila.
Za idealne raztopine - Roultov zakon:
pi = ravnotežni parcialni tlak komponente i nad raztopino
= parni tlak čiste komponente i
xi = molski delež komponente i v raztopini
0
iii Pxp
0
iii Pxp
0
iP
Parni tlak
Raztopine: 4. Koligativne lastnosti
10
19
0
212
0
111 )1( PxpinPxp
i
ir PxPxpppP 0
22
0
1121
Za binarni sistem
parni tlak raztopine
znižanje parnega tlaka idealne raztopine je premosorazmerno
z molskim deležem topljenca.
Raztopine: 4. Koligativne lastnosti
Realne raztopine pozitivna ali negativna odstopanja od
Raoultovega zakona.
20
Odvisnost parnega tlaka raztopine od koncentracije:
a - idealna raztopina
b -realna raztopina; pozitivno odstopanje od Raoultovega zakona
c -realna raztopina; negativno odstopanje od Raoultovega zakona
a b c
Raztopine: 4. Koligativne lastnosti
11
21
Odstopanje od Raoultovega zakona je posledica različne jakosti
molekulskih vezi med molekulami topila in topljenca.
Če so vezi med molekulami topila in topljenca v raztopini šibkejše
od vezi med molekulami v čistem topilu in v čistem topljencu,
se skušajo molekule izločiti iz raztopine, zato pride do pozitivnega
odstopanja od Raoultovega zakona, (to je do prevelikih parnih tlakov
glede na idealno stanje).
Če so vezi med molekulami topila in topljenca v raztopini
močnejše od vezi med molekulami v čistem topilu in čistem
topljencu, pride do negativnega odstopanja od Raoultovega zakona.
Raztopine: 4. Koligativne lastnosti
22
V razredčenih raztopinah plinov v tekočinah je topnost
plina v tekočini (xi) običajno proporcionalna parcialnemu
tlaku plina v plinski fazi – Henryev zakon:
iii kxPyp
k = Henryjeva konstanta (odvisna od temperature)
Raztopine: 4. Koligativne lastnosti
12
23
Henryjeve konstante
za nekatere pline v vodi
Hen
ry-j
eve
ko
nst
ante
(b
ar x
10
-4)
Raztopine: 4. Koligativne lastnosti
24
Znižnje tališča in zvišnje vrelišča raztopine
Tvrel = Ke b
Ttal = Kk b
Ke = ebulioskopska konstanta
Kk = krioskopska konstanta
b = molalna koncentracija
Ebulioskopska krioskopska
topilo konstanta konstanta
(kg/mol) (kg/mol)
Voda 0,513 1,86
Ocetna kislina 3,14 3,00
Benzen 2,67 5,12
Raztopine: 4. Koligativne lastnosti
Ker ima raztopina nižji parni tlak od topila, je njeno tališče nižje,
vrelišče pa višje od topila.
13
25
Fazni diagram za vodo (polna črta) in
vodno raztopino nehlapnega topljenca (črtkana črta)
Ttal - znižanje tališča
Tvrel - zvišanje vrelišča
Raztopine: 4. Koligativne lastnosti
26
Osmoza je pojav, pri katerem
prehaja (difundira) topilo skozi
polprepustno membrano iz manj
koncentriranih v bolj
koncentrirane raztopine.
Membrana je prepustna le za
topilo, ne pa tudi za raztopljene
snovi (za razliko od dialize!) .
Raztopine: 4. Koligativne lastnosti
Osmoza in osmotski tlak
Osmoza
(voda prehaja
membrano zaradi
konc. gradienta)
14
27
čisto
topilo
h
začetno
stanje
ravnotežje
polprepustna
membrana
polprepustna
membrana
čisto
topilo
raztopina raztopina
Smer difuzije topila
Raztopine: 4. Koligativne lastnosti
Princip osmoze:
28
Princip osmoze: topilo zaradi koncentracijskega gradienta
difundira iz leve celice v desno in raztopina v desni celici
se zato razredčuje. Hkrati se zaradi vtoka topila dviguje
nivo raztopine v desni celici in pojavi se tlak p, ki ga
imenujemo hidrostatski tlak. To ponovno poveča težnjo
molekul topila, da difundirajo v levo celico. V ravnotežju
je število molekul, ki difundira preko membrane v obeh
smereh enako. Tlak se imenuje osmotski tlak.
Raztopine: 4. Koligativne lastnosti
15
29
Zvezo med osmotskim tlakom in koncentracijo raztopine
podaja van t'Hoffov zakon:
TRc = osmotski tlak,
T = temperatura,
R = plinska konstanta in
c = molarna koncentracija
Raztopine: 4. Koligativne lastnosti
Osmotski tlak narašča z naraščajočo koncentracijo in temperaturo.
30
Koligativne lastnosti raztopin elektrolitov
Koligativne lastnosti so odvisne od števila delcev
topljenca v raztopini in ne od njegove narave.
Če neka snov v raztopini disociira:
NaCl Na+ + Cl-
se koligativne lastnosti spremenijo za nek faktor.
Osmotski tlak, znižanje tališča in zvišanje vrelišča raztopine
NaCl so 2 X večji kot v primeru, če bi bile v raztopini
molekule NaCl.
Raztopine: 4. Koligativne lastnosti
16
31
Za raztopine elektrolitov je zato van t'Hoff vpeljal
korekcijski faktor i:
•zvišanje vrelišča:
•znižanje tališča:
•osmotski tlak: TRci
Ttal. = i Kk b
Tvrel. = i Ke b
Raztopine: 4. Koligativne lastnosti
32
Koligativne lastnosti elektrolitov so vselej višje od koligativnih lastnosti neelektrolitov enake molarnosti.
Za razredčene raztopine ustreza faktor i številu ionov, ki nastanejo iz formulske enote topljenca.
Primeri:
za razredčene raztopine elektrolitov, kot so npr.
HCI, NaOH, NaBr, KJ, CaSO4 i = 2
MgCI2, CaBr2, Na2SO4 i = 3
AlCl3, Na3PO4 i = 4
Raztopine: 4. Koligativne lastnosti
17
33
Osmoza je pomemben pojav v bioloških sistemih in živih organizmih.
Z osmozo sprejemajo celice skozi celične stene snovi (hrano).
Večje koncentracijske razlike na polprepustnih membranah
povzročijo visoke tlake, kar lahko povzroči, da membrana poči.
To lahko opazujemo na eritrocitih (rdečih krvnih telesih).
Raztopine: 6. Fazna ravnotežja
34
Če jih suspendiramo v hipertonični raztopini, torej raztopini z višjim smotskim
tlakom kot je v celici, se celice skrčijo zaradi oddajanja vode.
Hipertonična raztopina Hipotonična raztopina Isotonična raztopina
Vzdrževanje normalne funkcije eritrocitov zahteva v okolici isotonično raztopino
(= enak osmotski tlak).
Če jih suspendiramo v vodi, je voda v primerjavi s celično raztopino hipotonična
zaradi difuzije vode v celice eritrociti nabreknejo in počijo (“osmotski šok”).
Raztopine: 6. Fazna ravnotežja
18
35
S povečevanjem tlaka znotraj posebnih membran lahko proces
osmoze obrnemo – iz koncentriranih raztopin »iztisnemo« vodo.
Ta proces lahko uporabimo npr za pridobivanje pitne vode iz
morske vode (reverzna osmoza).
Osmotski tlak je odvisen od števila delcev topljenca v topilu in ne
od narave topljenca (velikosti, stanja).
Neraztopljene snovi ne vplivajo na osmotski tlak.
Raztopine: 6. Fazna ravnotežja
36
Pri nevarnosti odpovedi ledvic ali možganskem edemu lahko
uporabimo osmodiuretike kot npr. sladkorni alkohol manitol,
zato da se izognemo neželjenemu nabiranju vode (odvečna voda
se izloči zaradi osmotskega tlaka). Te substance se v ledvicah
filtrirajo in se ne resorbirajo.
Osmodiuretika
Raztopine: 6. Fazna ravnotežja
19
37
Koloidne raztopine
Raztopine: 5. Koloidne raztopine
sistem s trdnim topljencem v tekočem topilu
velikost delcev topljenca v solu je 10 in 1000 Å (100 nm)
koligativne lastnosti koloidnih raztopin so slabo izražene
koloidne raztopine vsebujejo v primerjavi s pravimi
raztopinami razmeroma majhno število delcev
38
Vrsta
zmesi
Vrsta delcev Pojav pri
prehodu
svetlobe
Posedanje Separacija
delcev
Raztopina mali delci kot npr.
posamezni
atomi, ioni ali
molekule
prozornost delci ne
posedajo
ne moremo
ločiti s
filtracijo ali
polprepustno
membrano
Koloid večje molekule in
skupine molekul
ali ionov
Tyndallov efekt delci ne
posedajo
ne moremo
ločiti s
filtracijo,
lahko pa s
polprepustno
membrano
Suspenzija zelo veliki delci,
ki so vidni
motnost -
neprozornost delci hitro
posedajo
lahko ločimo s
filtracijo
Lastnosti raztopin, koloidov in suspenzij
Raztopine: 5. Koloidne raztopine
20
39
Koloidi - Tyndallov efekt
Raztopine: 5. Koloidne raztopine
Koloidne raztopine imajo to lastnost, da pri prehodu svetlobnega
žarka, veliki delci topljenca sipajo svetlobo tako, da postane žarek
viden.
40
Fazna ravnotežja (heterogena ravnotežja)
Nek sistem je pri določenih (konstantnih) zunanjih pogojih (T,P)
v ravnotežju, če se je neka snov razporedila med dve ali več faz in
se sestava s časom ne spreminja več.
Pri tem ni prišlo do kemijske reakcije, tako da lahko snov
separiramo iz posamezne faze nespremenjeno.
Heterogena ravnotežja skrbijo v človeškem telesu za snovni
transport iz enega dela telesa v drugi.
Fazna ravnotežja so osnova za ločitev snovi v kemijski in
biokemijski analitiki.
Raztopine: 6. Fazna ravnotežja
21
41
Nernstov porazdelitveni zakon
A,2
A,1
x
xK
Dvema tekočinama, ki se medsebojno ne mešata dodamo snov A,
ki se topi v obeh topilih. Po močnem premešanju se komponenta
A porazdeli med obe fazi.
Razmerje koncentracij v obeh fazah v ravnotežju imenujemo
porazdelitveni koeficient:
xA,1 = delež komponente A v lažjem topilu
xA,2 = delež komponente A v težjem topilu
Raztopine: 6. Fazna ravnotežja
42
Porazdelitveni procesi v telesu
Zdravila morajo biti lipofilna, morajo pa vsebovati tudi hidrofilne
dele, saj lahko le preko krvnega obtoka pridejo do mesta delovanja.
Premagati morajo t.i. upore, ki omejujejo snovno izmenjavo, in ki se
nahajajo v obliki različnih tkiv (kapilar) med krvnimi žilami in
celicami. Ko premagajo te upore, je za učinek nato pomemben
porazdelitveni koeficient med membranami in celično tekočino.
Porazdelitveni procesi lahko imajo tudi negativne učinke:
primer - lipofilni insekticidi (kemijsko klorirani ogljikovodiki)
porazdeljeni v biosferi so se preko prehranjevalne verige porazdelili
tudi v maščobnem tkivu človeka (problem - dolga razpolovna doba!).
Raztopine: 6. Fazna ravnotežja
22
43
Henry – Daltonov zakon
pA = parcialni tlak komponente A v plinski fazi (bar)
xA = koncentracija komponente A v tekoči fazi (mol/l)
k = Henryeva konstanta
A
A
x
pk
k funkcija temperature, specifična za dan plin in topilo
Topnost plinov se običajno z naraščanjem temperature znižuje
in s povišanjem tlaka zvišuje.
Raztopine: 6. Fazna ravnotežja
Porazdelitev plinov med plinsko in tekočo fazo opišemo z
Henry-Daltonovim zakonom:
44
Henry-Daltonov zakon je pomemben za opis izmenjave plinov,
ki poteka pri dihanju:
parcialni tlak O2 v zraku vpliva na koncentracijo O2 v krvi;
koncentracija CO2 v krvi se regulira z dihanjem;
pri narkozi z N2O (smejalni plin) se le-ta na koncu izloči z dihanjem.
Raztopine: 6. Fazna ravnotežja
23
45
Plini in tekočine ali v tekočinah raztopljene snovi se na
površinah trdnih snovi bolj ali manj zadržujejo (adsorbirajo).
Trdno snov imenujemo adsorbent (npr. aktivno oglje, silikagel).
Količina adsorbirane snovi je odvisna od:
vrste adsorbenta in substance, ki se adsorbira
od vrste topila
velikosti površine adsorbenta
koncentracije substance, ki se adsorbira
temperature
Adsorpcija na trdnih površinah
Raztopine: 6. Fazna ravnotežja
46
Koncentracija raztopine
Ko
ličin
a a
dso
rbir
an
e s
no
vi
Splošen potek adsorpcijske izoterme
Raztopine: 6. Fazna ravnotežja
24
47
Ravnotežni pojavi ob membranah
z
1
2
Molekularna difuzija v plinu
Difuzija
Molekularna difuzija (prosta, pasivna difuzija) poteka
v homogeni zmesi zaradi težnje po izenačitvi koncentracije.
Raztopine: 6. Fazna ravnotežja
48
AAMA cDJ
dz
dcDJ A
ABzA,
Snovni fluks je definiran kot tok določene komponente,
ki preide v enoti časa enoto ploskve, orientirane pravokotno
na smer snovnega fluksa.
Zvezo med fluksom komponente A, ki se prenaša z difuzijo,
ter gradientom koncemtracije podaja Fickov zakon:
J
Ac
Za binaren sistem je
difuzija v eni smeri (z):
Difuzivnost (DAM) komponente A v zmesi M [m2/s] =
faktor proporcionalnosti med difuzijskim fluksom in gradientom
koncentracije
Raztopine: 6. Fazna ravnotežja
25
49
DAB (m2/s)
Plini
5 x 10-6 – 10-5
Tekočine
10-10 – 10-9
Trdne snovi
10-14 – 10-10
Velikostno območje difuzivnosti plinov, tekočin in trdnih snovi
Raztopine: 6. Fazna ravnotežja
DAB je funkcija tlaka, temperature in sestave sistema.
50
Enostavna difuzija poteka tudi takrat, ko dve raztopini z različno
koncentracijo komponente A ločimo z membrano, prepustno za
komponento A in topilo:
- molekule A difundirajo v smeri koncentracijskega gradienta.
- v ravnotežju je število molekul, ki difundirajo skozi membrano
enako v obeh smereh.
Difuzija je odvisna od:
• velikosti molekul in velikosti por membrane,
• viskoznosti topila in temperature,
• gradienta koncentracije.
Raztopine: 6. Fazna ravnotežja
26
51
Pasivna difuzija je v snovni izmenjavi žive celice z okolico prej
izjema kot pravilo.
V celicah se mora koncentracija določenih snovi pogosto vzdrževati
na nekem nivoju, ki je višji ali nižji kot je koncentracija v okolici
(npr. koncentracija K+ ionov je višja v celici kot v okolici).
Koncentracijski gradienti na celični membrani so tipični za žive
celice. Popolna izenačitev koncentracije s pasivnim transportom
pomeni za celico smrt.
Veliko snovi se v celico (ali iz nje) vnaša proti koncentracijskemu
gradientu, torej z uporabo energije (npr. K+/Na+ črpalke).
Ta postopek označujemo kot aktivni transport.
Raztopine: 6. Fazna ravnotežja
52
Dializa
Dializa temelji na difuziji
nizkomolekularnih komponent skozi
polprepustno membrano
ločitev nizkomolekularnih in
visokomolekularnih komponent.
Polprepustna membrana prepušča
majhne molekule topljenca in
molekule topila, medtem ko zadržuje
velike molekule topljenca
(npr. beljakovine, encime, itd).
Raztopine: 6. Fazna ravnotežja
Dializa
(topljenec prehaja
membrano zaradi
konc. gradienta)
27
53
Dializa v telesu
Odpadni produkti, presežne soli in voda se iz
telesnih tekočin odstranjujejo s pomočjo dialize, ki
poteka v ledvicah (nefronih).
arterija
vena
sečevod
ledvica nefron
arterija
vena
Kri
glomerulus
filtrat
zbirna
cevka
urin
sečevod
Raztopine: 6. Fazna ravnotežja
54
Hemodializa:
V primeru okvare ledvic, ta ne morejo več dializirati
odpadnih produktov presnove čiščenje krvi z “umetno
ledvico”.
Tipična aparatura vsebuje velik rezervoar z vodno raztopino
elektrolitov, v katero je potopljena membranska cev iz
celuloze.
urea in drugi
odpadni
produkti
membranska
cev
dializat
črpalka
kri
Dializirana
kri
Raztopine: 6. Fazna ravnotežja
28
55
Če so v postopkih porazdelitve ob membranah udeleženi
tudi ioni, tako kot je to slučaj v vseh živih sistemih,
obstaja razen težnje po izenačitvi koncentracij tudi
težnja po elektro- nevtralizaciji.
Raztopine: 6. Fazna ravnotežja
56
Raztopine: 6. Fazna ravnotežja
polprepustna
membrana
Donnanovo ravnotežje
K+
Cl –
protein
Smer difuzije
Osmotski tlak
Oznake:
I II
začetno stanje
zunaj znotraj
10 K+
10 Cl –
5 Prot –
5 K+ I II
ravnotežje
zunaj znotraj
polprepustna
membrana
6 K+
6 Cl –
5 Prot –
9 K+
4 Cl –
29
57
Začetno stanje: raztopini na obeh straneh membrane sta
elektronevtralni
• raztopina I: vsebuje K+ in Cl- ione,
• raztopina II: K+ ione in negativno nabite proteinske molekule
(membrana jih ne prepušča).
Nato se prične snovni prenos:
• difuzija Cl- ionov iz I v II (zaradi koncentracijskega gradienta).
• za ohranitev elektronevtralnosti, morajo slediti tudi K+ ioni (najprej
v smeri koncentracijskega gradienta in nato celo proti njemu).
Difuzija K+ in Cl- ionov poteka tako dolgo, dokler se ne vzpostavi tako
imenovano Donnanovo ravnotežje.
Raztopine: 6. Fazna ravnotežja
58
IIIIII ClKClK
Donnanovo ravnotežje
je doseženo, ko je produkt koncentracij ionov, ki
difundirajo, na obeh straneh membrane enak:
Raztopine: 6. Fazna ravnotežja
Na obeh straneh membrane imamo ponovno elektronevtralno stanje.
Na sliki predstavljena situacija, velja za vse žive celice.
Raztopina II pri tem ustreza intraceličnemu prostoru, raztopina I pa
ekstraceličnemu prostoru.
30
59
Iz slike je razvidno, da se število delcev v raztopini I in II ne nahaja
v ravnotežju. V začetnem stanju je bilo večje v raztopini I, v
ravnotežju pa v raztopini II.
Med samim procesom poteka osmoza:
v začetnem stanju difundirajo molekule vode iz raztopine II v
raztopino I v raztopini I se pojavi osmotski tlak.
V ravnotežju se situacija obrne: osmotski tlak se pojavi v raztopini II.
Zaradi »osmotskega neravnotežja« so K+ ioni delno prisiljeni zapustiti
raztopino II na zunanji strani membrane se pojavi prebitni + naboj,
na notranji strani membrane pa – naboj zaradi proteinskih anionov.
Pojavi se membranski potencial, t.i. Donnanov potencial, ki ima za
dan primer negativni predznak (znotraj – naboj).
Raztopine: 6. Fazna ravnotežja
60
Obstajajo določene celice, ki reagirajo na fizikalni ali kemijski
dražljaj s specifično reakcijo, t.j. vzburjenjem, ki ga lahko prevajajo
dalje. Ta sposobnost je še posebej izražena v živčnih celicah
človeka. V mirovanju znaša potencial na membrani do -100 mV.
V celicah je koncentracija K+ ionov višja kot je koncentracija Na+
ionov, zunaj celice je ravno obratno. Pri vzburjenju živcev se pod
vplivom nevronov permeabilnost membrane za Na+ ione poviša,
pride do depolarizacije, potencial se lahko celo obrne (pozitiven
notri in negativen zunaj). Električni impulz se prevaja dalje.
Potencial v mirovanju se lahko ponovno vzpostavi z difuzijo K+
ionov v smeri koncentracijskega gradienta ven iz celice. Moteno
razmerje koncentracije K+ in Na+ ionov v celici se ponovno izravna
z aktivnim transportom (Na+ ven, K+ not; »Na+/K+ črpalke«).
Živčni dražljaji, kaj je to?
Raztopine: 6. Fazna ravnotežja
31
61
Procesi difuzije, osmose in Donnanovo ravnotežje igrajo ob
membranah veliko vlogo, s to razliko, da se v živih sistemih
ravnotežja nikoli ne vzpostavijo.
Iz težnje po vzpostavitvi ravnotežja se tvori energija.
Brez aktivnega snovnega transporta, ki poteka v obratni smeri
koncentracijskemu gradientu in se zato energija porablja, se sistem
kmalu poruši.
Raztopine: 6. Fazna ravnotežja
62
Separacijski procesi
Destilacija
je operacija, s katero ločimo zmes hlapnih tekočin v posamezne
komponente ali skupine komponent. Uporabimo jo torej za ločitev
termično stabilnih substanc, ko so temperature vrelišč posameznih
komponent v zmesi oz. njihova hlapnost različne.
Raztopine: 7. Separacijski procesi
32
63
Enostavna (diferencialna) destilacija
Termometer
Hladilnik
Hladilna voda
Grelna kopel
Destilat
Raztopine: 7. Separacijski procesi
64
S sušenjem odstranjujemo iz vlažnih snovi hlapno
tekočino (voda, organska topila) z dovajanjem toplote.
Sušenje
Raztopine: 7. Separacijski procesi
33
65
Kristalizacija
je proces, pri katerem iz homogene faze nastajajo trdni delci.
Prenasičenje raztopine lahko dosežemo s hlajenjem raztopine
ali z uparjanjem topila, kar je odvisno od lastnosti sistema.
Za tem se topljenec izloči iz raztopine tako, da formira
kristale čistega topljenca, ker topnosti nečistoč običajno
ne presežemo.
Raztopine: 7. Separacijski procesi
66
Ekstrakcija tekoče-tekoče
je separacijski proces, ki temelji na razliki v topnosti.
Osnovno raztopino spravimo v kontakt z drugo raztopino
(topilom), ki se ne meša ali je le delno mešljiva z osnovno
raztopino in želena komponenta prehaja oz. se ekstrahira
v drugo raztopino.
Dobro ločitev dosežemo, ko je porazdelitveni koeficient
željene komponente med dvema topiloma visok.
Raztopine: 7. Separacijski procesi
34
67
je membranski separacijski proces s katerim ločujemo
nizko- in visokomolekularne komponente
Dializa
Raztopine: 7. Separacijski procesi
68
Kromatografija
je separacijska metoda, ki jo uporabljamo za kvalitativno
in kvantitativno analizo.
Postopek temelji na faznih ranotežjih, ki se vzpostavijo
med trdno in tekočo fazo (tekočinska kromatografija)
ali trdno in plinsko fazo (plinska kromatografija).
Trdna faza je stacionarna, medtem ko tekoča oz. plinska
faza tečeta preko nasutja trdne faze in predstavljata
mobilno fazo.
V toku mobilne faze se nahaja vzorec komponent, ki jih
želimo ločiti.
Raztopine: 7. Separacijski procesi
35
69
Pri vseh metodah temelji separacija komponent na enakem
principu:
posamezne komponente zaradi različnih kemijskih in
fizikalnih interakcij z mobilno in stacionarno fazo različno
hitro prehajajo med obema fazama, pri čemer se premikajo
le v mobilni fazi, v stacionarni pa mirujejo.
Na koncu pride do ločitve komponent.
Pri tem je pomebna tudi dolžina poti mobilne faze preko
stacionarne faze.
Raztopine: 7. Separacijski procesi
70
Tekočinska kromatografija (LC)
Kolonska k.
Visoko učinkovita
tekočinska k. (HPLC)
Tankoslojna k. (TLC)
Papirna kromatografija
Ionska kromatografija
Plinska kromatografija (GC)
Kromatografske metode Stacionarna faza Mobilna faza
adsorbenti
(silikagel,Al-oksid...)
Organska topila +
zmesi z vodo
adsorbenti v tankem
sloju na steklu ali foliji
papir
polimer z ionskimi
skupinami na površini
adsorbenti v koloni
adsorbenti v
visokotlačni koloni
Organska topila +
zmesi z vodo
Organska topila +
zmesi z vodo
zmesi org. topil
z vodo
Voda, pufri, solne
razt., org.topila
Plini: H2, He, N2
Raztopine: 7. Separacijski procesi
36
71
Tankoslojna kromatografija kromatografija (TLC)
I – nanos na startno črto a - pot komponente A
II – TLC kromatogram b - pot komponente B
c - pot mobilne faze
fazeelnmobipot
vzorcapotR f
Retenzijski faktor:
Startna črta
Fronta topila
Raztopine: 7. Separacijski procesi
72
Kolonska kromatografija:
I: nanos vzorca (zmes A+B) v mobilni
fazi na stacionarno fazo v stekleni
koloni.
II: spiranje z mobilno fazo
III: B se z mobilno fazo izloči iz kolone
in se nahaja v eluatu
stac.
faza
raztopina
A+B
eluat eluat
z B
cona z A
cona z B cona z A
Lij-ločnik z
mob. fazo
Raztopine: 7. Separacijski procesi
37
73
Plinska kromatografija (GC): primer kromatograma
Raztopine: 7. Separacijski procesi
74
Raztopine
38
75
Izračunaj:
1. Molarnost in molalnost 27 % raztopine žveplove (VI) kisline, ki
ima gostoto 1,198 kg/dm3.
2. Koliko molarna, molalna in odstotna je raztopina CuSO4, če smo
za 100 g raztopine porabili 5 g CuSO4·5H2O. Gostota raztopine
je 1,02 g/ml.
3. K 100 ml 96 % H2SO4 z gostoto 1,84 g/ml dolijemo 400 ml vode.
Dobimo raztopino z gostoto 1,2 kg/dm3. Koliko odstotna, molarna,
molalna je raztopina in kakšen je molski delež H2SO4 v raztopini?
4. Pri 0°C in tlaku 105 Pa se v 1 L vode topi 29 mg N2. Koliko mg
se ga topi pri 0°C in tlaku 3·105 Pa?
Raztopine: Naloge
76
5. Osmozni tlak krvi je pri 37°C 7,76 ·105 Pa. Izračunaj molsko,
molalno, masno koncentracijo raztopine saharoze in molski
delež saharoze v raztopini, ki je izotonična s krvjo.
Predpostavimo, da se pri raztapljanju sladkorja volumen vode
ne spremeni.
6. Osmozni tlak raztopine sečnine je pri 20°C 1,85·105 Pa.
Raztopino segrejemo na 35°C in razredčimo na 5 x volumen.
Kolikšen je osmozni tlak?
7. Kolikšen je pri 100°C parni tlak 10% raztopine karbamida
(sečnine) CO(NH2)2? Tlak vodne pare pri 100°C znaša
p0=105 Pa.
Raztopine: Naloge
39
77
8. Parni tlak dietiletra C2H5OC2H5 je pri 10°C p=3,89·104 Pa.
Če raztopimo 4,16 g hidroksi benzojske kisline (salicilna k.) v
80,7 g etra, pade parni tlak za 1,13·103 Pa. Izračunaj približno
vrednost molske mase salicilne kisline.
9. Pri kateri temperaturi vre 50% vodna raztopina saharoze
C12H22O11? Ke = 0,52 Kkg/mol
10. Kolikšna je koncentracija NaCl v masnih %, da je izotonična
s krvnim serumom, ki zmrzne pri –0,56°C. 1 ml seruma vsebuje
1 g vode. Kk = 1,86 Kkg/mol. NaCl je popolnoma ioniziran.
11. Če raztopimo 13 g kafre v 400 g dietiletra, se vrelišče zviša za
0,453 stopinje. Določi molsko maso kafre. Ke = 2,12 Kkg/mol.
Raztopine: Naloge