asyan.org
добавить свой файл
1
Тема 15. Адсорбційні процеси та іонний обмін у біосистемах. Хроматографія
1.Актуальність теми

Адсорбція із розчинів на поверхні твердого тіла має велике значення для життєдіяльності організмів: адсорбція субстрату на поверхні ферментного комплексу, адсорбція на мембранах клітин (15 тис.м2 у організмі), адсорбція білків на поверхні гідрофобних частинок для перенесення їх кров’ю та транспорт кисню гемоглобіном еритроцитів.

Такі тверді адсорбенти, як активоване вугілля та йонообмінники, застосовуються для дезінтоксикації організму (очистки організму від сторонніх речовин, отрут, які потрапили в шлунок; шкідливих продуктів життєдіяльності; надлишкових ліків). Поверхня поділу фаз однієї таблетки активованого вугілля (0,25 г) досягає 125 м2. Отже, у медичній практиці широко використовують ентеросорбенти. Адсорбційна терапія здійснюється різними методами, такими як гемосорбція (очищення крові від токсинів), плазмосорбція, лімфосорбція, лікворосорбція (очищення спинномозкової рідини), аплікаційна сорбція, ентеросорбція.

Адсорбція застосовується також для очистки вітамінів та антибіотиків.

У медичній практиці використовуються імобілізовані препарати, тобто ферменти, гормони, антибіотики, які закріплені на неорганічних та органічних полімерах.

Хроматографія ̶ метод розділення й аналізу сумішей газів, випарів, рідин або розчинених речовин за допомогою сорбційних процесів. Цей метод застосовується з метою діагностики, клінічного контролю за перебігом лікування, контролю процесу детоксикації організму при отруєннях. Це дозволяє визначати шляхи профілактики та лікування різних хвороб.

Хроматографію застосовують у токсикологічній хімії, судовій медицині, криміналістиці та гігієні.

2. Конкретні цілі

Робити висновки щодо поверхневої активності речовин на підставі їх будови.

Аналізувати особливості будови поверхневого шару адсорбованих молекул поверхнево активних сполук, пояснювати принципи будови біологічних мембран.

Аналізувати рівняння адсорбції та межі їх використання, розрізняти мономолекулярну та полімолекулярну адсорбцію.

Інтерпретувати закономірності адсорбції речовин із розчинів на твердій поверхні.

Пояснювати фізико-хімічні основи методів адсорбційної терапії.

Розрізняти вибіркову та іонообмінну адсорбцію електролітів.

Інтерпретувати методи хроматографічного аналізу та їх роль у медико-біологічних дослідженнях.

3. Базові знання, вміння, навички, необхідні для вивчення теми

Знати особливості будови біологічних мембран.

Мати поняття про гідрофільність (полярність) і гідрофобність (неполярність) сполук.

Мати уявлення про дисоціацію сполук.

Знати суть адсорбції, розподілу речовин між двома фазами, що не змішуються.

4.Завдання для самостійної роботи під час підготовки до заняття
4.1. Теоретичні питання до заняття:
1. Поверхнева активність. Правило Дюкло-Траубе.

2. Рівняння Гіббса. Орієнтація молекул у поверхневому шарі та структура біологічних мембран.

3. Рівнянння Ленгмюра.

4. Адсорбція із розчинів на поверхні твердого тіла. Рівняння Фрейндліха.

5. Фізико-хімічні основи адсорбційної терапії.

6. Адсорбція електролітів (вибіркова та іонообмінна). Правило Панета-Фаянса.

7. Іоніти та їх використання в медицині.

8. Класифікація хроматографічних методів дослідження за:

1) агрегатним станом фаз;

2) технікою виконання;

3) механізмом процесу розділення суміші компонентів.

Використання хроматографії в біології та медицині.
4.2. Практична робота (завдання), що виконується студентами на занятті
Проведення розподільної хроматографії амінокислот на папері

Готовий фільтр або коло фільтрувального паперу діаметром 12 см розкреслити олівцем на 4 сектори: у трьох секторах на відстані 0,5 см від центру олівцем намітити місця старту, а у четвертому секторі вирізати вузький язичок, що доходить майже до центру (рис. 1). Із краю фільтра в трьох секторах зробити позначки: “Гл” – гліцин, “Сум” – суміш амінокислот, “Лей” – лейцин.

Гл Сум



Лей Фронт роз-

чинника

Гл

.

Лей

Місце старту

Рис. 1. Рис. 2. Хроматограма

суміші амінокислот

Потім на місця старту нанести краплі відповідних розчинів: гліцину, лейцину та суміші цих амінокислот. Краплі не повинні бути більшими, ніж 3– 4 мм у діаметрі. Нанести по 3– 4 краплі поступово, підсушуючи попередню пляму перед нанесенням наступної краплі.

У чашку Петрі налити розчинник, покласти фільтр таким чином, щоб відігнутий язичок був занурений у розчинник. Зверху папір накрити другою чашкою та поставити в термостат з температурою 45–50 ̊ С. Коли розчинник дійде майже до краю фільтра, вийняти папір, підсушити його в сушильній шафі та обробити проявником – розчином нінгідрину. Хроматограму підсушити в термостаті – на ній проявляться кольорові плями амінокислот (рис. 2).

За допомогою хроматограми визначити коефіцієнти розподілу амінокислот гліцину (Rf гліцину) та лейцину (Rf лейцину). Для цього потрібно лінійкою відміряти відстань від місця старту до середини плями кожної з амінокислот (r1 та r2 ) та відстань від місця старту до лінії фронту розчинника (rp) (рис. 2).

Розрахувати коефіцієнти розподілу (Rf) амінокислот за формулами:



де r1 – відстань від точки старту до середини плями гліцину, см;

r2 – відстань від точки старту до середини плями лейцину, см;

rp – відстань від точки старту до лінії фронту розчинника, см.
Оформлення протоколу лабораторної роботи

Замалювати хроматограму, записати результати розрахунків та висновок про розподіл амінокислот у залежності від полярності молекул.
Матеріали для самоконтролю
1. Вказати, із якого розчинника активоване вугілля (неполярний адсорбент) буде краще адсорбувати поверхнево-активну речовину. Діелектрична проникність розчинників показана в дужках.

а) із води (80); в) із ацетону (20,7);

б) із етанолу (25,2); г) із гексану (1,9).
2. Вказати, чи виконується правило Дюкло-Траубе при адсорбції дифільних молекул із розчинів на твердому адсорбенті:

а) не виконується;

б) виконується тільки для неполярних адсорбентів;

в) виконується тільки для неполярних адсорбентів при адсорбції із полярних розчинників;

г) виконується для неполярних адсорбентів при адсорбції із полярних розчинників і для полярних адсорбентів при адсорбції із неполярних розчинників.

3. Вказати, які з наведених факторів впливають на адсорбцію йонів твердим адсорбентом із водного розчину:

1) заряд йона; 3) природа йона; 5) маса адсорбента 2) ступінь гідратації йона; 4) природа адсорбента; 6) загальний тиск.

а) 1 – 4; б) 1 – 6; в) 1, 3, 4; г) 1, 4, 5.
4. Вибрати йони, які за правилом Панета-Фаянса здатні адсорбуватися на по-

верхні кристалічного аргентум йодиду:

а) Ag+; б) I; в) NO3; г) Na+.
5. Вибрати йони, які за механізмом йонообмінної адсорбції можуть бути адсорбовані катіонітом у Н+-формі:

а) Cl; б) Са2+; в) NO3; г) Na+.
6. Вибрати процеси, що лежать у основі хроматографічних методів дослідження:

1 – йонний обмін; 3 – адсорбція; 5 – кристалізація;

2 – розчинення в воді; 4 – випаровування; 6 – розподіл між двома фазами.

а) 1, 3, 4; б) 2, 3, 4, 6; в) 1, 3, 6; г) 2, 4, 5.
7. Вибрати методи хроматографічного аналізу, що базуються на розподілі компонентів суміші між двома рідкими фазами:

1–газоадсорбційна хроматографія; 4 –адсорбційна колонкова хроматографія;

2 – паперова хроматографія; 5 – тонкошарова хроматографія;

3 – гель-хроматографія; 6 – йонообмінна хроматографія.

а) 2, 5; б) 4, 6; в) 1, 3; г) 1, 2.

8. Вказати, яка речовина є нерухомою фазою в паперовій хроматографії:

а) органічний розчинник; в) целюлоза;

б) вода; г)у паперовій хроматографії нерухомої

фази немає.
9. Вказати параметри паперової хроматографії, які треба стандартизувати при точному визначенні коефіцієнтів розподілу компонентів суміші, що розділяється:

1– температура; 3 – кількість рухомої фази; 5 – розмір і форма паперу;

2– тиск; 4 – вид паперу; 6 – вид розчинника.

а) 3, 5; б) 4, 6; в) 1, 3; г) 2, 4.
10. Вказати, що характеризує величина коефіцієнту розподілу в паперовій хроматографії:

а) відношення розчинностей компонентів у розчиннику;

б) відношення розчинностей компонентів у нерухомій фазі;

в) відношення швидкостей руху компонентів суміші;

г) відношення швидкостей руху компонента й розчинника.
11. Вказати вид хроматографії, що має спільний механізм дії з методом одержання прісної або демінералізованої води:

а) адсорбційна; б) розподільна; в) йонообмінна; г) осадова.

Правильні відповіді

1. Правильна відповідь а).

Вугілля є неполярним гідрофобним адсорбентом. Згідно з правилом вирівню-

вання полярностей Ребіндера, поверхнево-активна речовина краще буде адсорбуватися на вугіллі із полярного розчинника, займаючи тим самим проміжне за полярністю місце між розчинником і адсорбентом. Найбільш полярним розчинником з тих, що наведені в відповідях, є вода.
2. Правильна відповідь в).

Правило Дюкло-Траубе виконується тільки при адсорбції поверхнево-активних

речовин на гідрофобних адсорбентах із водних розчинів або розчинів на базі полярних розчинників, і при збільшенні вуглеводневого радикала (гідрофобної частини дифільної молекули) адсорбція молекул ПАР збільшується. При адсорбції ПАР із неполярних розчинників на гідрофільних адсорбентах спостерігаються результати, обернені правилу Дюкло-Траубе: збільшення гідрофобного ланцюга дифільної молекули призводить до зменшення адсорбції.
3. Правильна відповідь а).

Адсорбція йонів тим більша, чим більший вони мають заряд і менший ступінь гідратації. Чим ближчі за природою йони та адсорбент, тим краще йде адсорбція йонів. Маса адсорбента не впливає на адсорбцію йонів, яка кількісно залежить від площі поверхні адсорбента. Тиск не впливає на адсорбцію на межі поділу фаз “рідина – тверде тіло”.
4. Правильні відповіді а), б).

За правилами Панета-Фаянса кристалічну ґратку AgI можуть добудовувати йони Ag+ та І, отже, тільки вони будуть адсорбуватися на поверхні кристалів AgI у залежності від того, який йон знаходиться в надлишку.
5. Правильні відповіді б), г).

Катіоніт у Н+-формі здатний обмінювати свої рухомі йони Н+ на катіони, що знаходяться в розчині. Отже, пропускаючи розчин з катіонами Кальцію або Натрію крізь шар такого катіоніту, можна повністю звільнити розчин від цих катіонів, замінивши їх на катіони Гідрогену.

6. Правильна відповідь в).

Розчинення, випаровування та кристалізація не належать до процесів, на яких ґрунтується хроматографія.
7. Правильна відповідь а).

З наведених видів хроматографії тільки в паперовій та тонкошаровій компоненти суміші розподіляються між нерухомою фазою та розчинником (рухома фаза), який поступово рухається від стартової точки до краю паперу. Нерухомою фазою в паперовій хроматографії є волога фільтру, а в тонкошаровій хроматографії – рідина, якою попередньо просочують шар адсорбента.
8. Правильна відповідь б).

Вода, точніше волога паперу, є нерухомою фазою в паперовій хроматографії.

Спеціальний хроматографічний папір містить більше 20% вологи.
9. Правильна відповідь б).

Від виду паперу (а не його розмірів і форми), виду розчинника залежать значення коефіцієнтів розподілу даних компонентів. Тиск і кількість розчинника, який завжди береться в надлишку для даних розмірів паперу, на значення коефіцієнту розподілу не впливають. Температура теж не стандартизується, а береться трохи вищою за кімнатну.
10. Правильна відповідь г).
11. Правильна відповідь в).

Йонообмінна хроматографія, як і одержання демінералізованої або прісної води, базується на йонному обміні між йонами рідкої фази (води, розчину) та рухливими йонами йонообмінної смоли. У йонообмінній хроматографії застосовуються переважно або катіоніт (обмінюється катіонами) або аніоніт (обмінюється аніонами). А при одержанні демінералізованої води, спочатку воду пропускають через катіоніт, а потім через аніоніт замінюючи катіони й аніони, що містяться в воді, на Н+ і ОН-.