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 _∞ = 8,7∙10 ^-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=10.18∙10^-14 кмоль/ м², предельная адсорбция Г _∞=8,7∙10 ^-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/моль∙К

9.Изотерма адсорбции Ленгмюра характеризуется уравнением:
1) Г=Г _∞С/(C+К) 2) Г=СК 3) х/m=КС^1/n 4) Г=ΔС∙V/m

10.Изотерма адсорбции Фрейндлиха характеризуется уравнением:

1) Г=Г _∞С/(C+К) 2) Г=СК 3) х/m=КС^1/n 4) Г=ΔС∙V/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^-, SO₄^2-,PO₄^3-; максимальной адсорбционной способностью обладает:

1)​ Br^- 2)​ SO₄^2- 3)​ PO₄^3- 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 15˚С. Поверхностное натяжение раствора и воды при 15˚С равны соответственно 63,3∙10^-3 н/м и 73,49 ∙10^-3 н/м.
(Ответ: 4.25∙10^-6 кмоль/м²)

2.Используя уравнение Ленгмюра, найти величину адсорбции при 298˚К, если величина предельной адсорбции Г_∞= 7,85∙10^-9 кмоль/м², равновесная концентрация c = 0,75 кмоль/м³, а К = 0,42. (Ответ: 5.03∙10^-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=1.58∙10^-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=3.4∙10^-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: 8.16∙10^-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 6∙10^-3 кмоль/м², К=0.8. (Ответ: 0.166 кмоль/м²)

10.Определить адсорбцию (кмоль/м²) при 15˚С для водного раствора, содержащего 29 г/л ацетона, если поверхностное натяжение раствора составляет 59,4∙10^-3 н/м, а для воды 73.5∙10^-3 н/м. (Ответ: 5,88∙10^-9 кмоль/м²)

11.При уменьшении концентрации новокаина в растворе с 0,2 моль/л до 0,15 моль/л поверхностное натяжение возросло с 6,9∙10^-2 н/м до 7,1∙10^-2 н/м, а у раствора кокаина при аналогичном уменьшении концентрации поверхностное натяжение возросло с 6,5∙10^-2 н/м до 7,0∙10^-2 н/м. Сравните величину адсорбции двух веществ в данном интервале концентраций при Т = 293˚К. (Ответ: Г_нов=2.87∙10^-6 кмоль/м², Г_кок=7.19∙10^-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 75,20∙10^-3 н/м, поверхностное натяжение воды 73,05∙10^-3 н/м, t = 18˚С
(Ответ: Г=-4.44∙10^-7 кмоль/м²)

13.Какая масса холестерина адсорбируется из плазмы крови, содержащей 4,8 мкмоль/мл холестерина, если К = 2 мкмоль/мл, М_хол = 386 г/моль. Величина ёмкости адсорбента АДБ по холестерину Г_∞ = 0,7 мкмоль/г.(Ответ: m=1.89∙10^{-4 г)}

14.Экспериментально установлено, что величина максимальной адсорбции на угле составляет 3,0∙10^-3 моль/г, величина К = 6,0∙10^-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 18˚С (пл. =1,143 г/м³), если поверхностное натяжение этого раствора составляет 75,2∙10^-3 н/м, а воды 73,0∙10^-3 н/м. (Ответ: Г=-8.89∙10^-9 кмоль/м²)

16.Поверхностное натяжение водного раствора, содержащего поверхностно-активное вещество (ПАВ) в концентрации 0,056 моль/л при 293˚К равно 4,33∙10^-2н/м. Вычислите величину адсорбции ПАВ из раствора с концентрацией 0,028 моль/л при 293˚С. (Ответ: Г=6.06∙10^-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 К_К+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.