Коллоидная химия В.Н. Сергеев. В. Н. Сергеев Курс коллоидной химии для медицинских вузов. Учебник
 Скачать 3.98 Mb.
|
|
2.4.4. Биологическое значение процессов адсорбции Явления адсорбции широко распространены в природе. Адсорбция играет очень важную роль в жизнедеятельности организма человека и животных. Это обусловлено наличием в организме огромного количества самых разнообразных поверхностей раздела — стенок сосудов, альвеол, поверхностей клеток, клеточных ядер, коллоидных частиц протоплазмы, и, наконец, поверхности раздела между организмом и окружающей средой. Рассмотрим, например, адсорбционные возможности эритроцитов крови, обусловленные в первую очередь величиной суммарной поверхности этих форменных элементов. Эритроциты являются переносчиками различных веществ, в том числе и аминокислот, которые они разносят и передают клетками тканям организма. Число эритроцитов в крови взрослого человека примерно 27 10 12 ; учитывая, что диаметр эритроцита 7 – 8 мкм, можно подсчитать, что общая поверхность эритроцитов крови одного человека составляет примерно 3200 м 2 Изучение многих биологических систем, в функционировании которых принимают участие белки, липиды и другие биополимеры или биорегуляторы, показало, что физиологическая активность этих соединений теснейшим образом связана сих поверхностной активностью. Так установлено, что главной причиной чрезвычайно высокой активности и специфичности ферментативного катализа является адсорбция ферментом субстрата, приводящая к образованию активного комплекса, в котором ориентируются и 21 сближаются реагирующие группы фермента и субстрата, в результате чего реакция ускоряется в 10 7 и более раз. Следует также упомянуть о роли адсорбционных процессов в разработанной Ю. М. Лопухин) детоксикационной терапии — гемосорбции, основанной на избирательной адсорбции токсинов или метаболитов из крови, лимфы или плазмы пациентов, страдающих от острого отравления, поражения печении ряда других заболеваний. Поверхностно-активные вещества, благодаря их способности адсорбироваться в различных дисперсных системах, создавая защитные пленки и снижая энергию этих систем, применяются при консервации крови, при лечении отравлений тяжелыми металлами и другими токсическими веществами. Они регулируют реакцию среды и солевой обмен в организме, адсорбируют хлористый натрий при гипертонической болезни, снижая этим артериальное давление, используются при лечении язвенной болезни и эррозий желудочно-кишечного тракта. 2.5. Варианты вопросов из ада ч для самостоятельной работы Вариант 1 1. Вычислите общую поверхность частиц (S), содержащихся в 1 г угольной пыли. Масса каждой частицы равна 0.4825 10 –12 га поверхность 2 10 –8 см 2 (Ответ: 41.45 м) 2. Какова величина поверхностной энергии эритроцитов ( G S ), содержащихся в 1 мл цельной крови человека, если известно, что поверхностное натяжение эритроцита равно 15 10 –3 Дж/м 2 , число эритроцитов 4 10 9 в 1 см, а площадь поверхности единичного эритроцита составляет 22 10 –12 м 2 (Ответ: 1.32 10 –3 Дж) 3. На рисунке представлены изотермы поверхностного натяжения водных растворов различных вещества) Почему изотермы начинаются водной точке б) Что означает на изотерме I участок, параллельный оси абсцисс в) Какие из перечисленных веществ имеют изотермы типа I, II или III: сахароза, хлорид натрия, бутанол, гексановая кислота, октилпиридиний хлорид, фосфатидилэтаноламин? 4. Бутанамин-1 вводном растворе имеет поверхностную активность g = –99 10 –5 Дж м моль –1 . Какова структурная формула его гомолога, если его поверхностная активность составляет –327 10 –5 Дж м моль –1 ? 22 5. При сталагмометрическом определении поверхностного натяжения раствора некоторого вещества были получены следующие результаты для раствора — 60 капель, для дистиллированой воды — 72 капли. Каким по отношению к воде является это вещество — ПАВ или ПИВ? 6. Определите величину гиббсовской адсорбции ( , моль/м 2 ) для раствора октановой кислоты, если ее концентрация 0.1 моль/л, поверхностное натяжение раствора 57 10 –3 Дж/м 2 , воды 72.5 10 –3 Дж/м 2 , RT = 2480 Дж/моль. Равновесную концентрацию кислоты рассчитывать как среднее арифметическое начальной и конечной концентраций. Ответ 3.125 10 –6 моль/м 2 ) Вариант 2 1. Вычислите величину поверхности частиц масла (S), содержащихся в 10 г эмульсии масла вводе, если известно, что массовая доля масла равна 0.7, поверхность каждой частицы масла составляет 12.56 10 –8 см, а ее масса равна 3.85 10 –12 г. Ответ 22.84 м) 2. Какова величина поверхностной энергии тромбоцитов ( G S ), содержащихся в 1 мл крови, если известно, что поверхностное натяжение тромбоцита равно 20 10 –3 Дж/м 2 , число тромбоцитов 3 10 8 в 1 см, а площадь поверхности единичного тромбоцита составляет 3 10 –12 м 2 (Ответ: 1.8 10 –5 Дж) 3. Из перечисленых ниже веществ укажите, какие относятся к ПАВ, ПИВ или к ПНВ и нарисуйте изотермы поверхностного натяжения для каждого из них сульфат натрия, глюкоза, стеарат натрия, пентанол-1, фосфатидилсерин. 4. На рисунке представлены изотермы гиббсовской адсорбции для гомологического ряда карбоновых кислота) Как следует из рисунка, все изотермы стремятся к одному и тому же значению адсорбции . Какому состоянию поверхностного слоя соответствует эта предельная величина адсорбции б) На основании приведенных изотерм сделайте вывод о зависимости адсорбционной способности ПАВ от величины их поверхностной активности. в) Соотнесите величины поверхностной активности (g) указанных кислот сих структурными формулами 23 –272 10 –3 , –25.6 10 –3 , –864 10 –3 , –85 10 –3 (Дж м моль –1 ) и покажите на примере одной пары этих кислот применимость правила Дюкло—Траубе. 5. При сталагмометрическом определении поверхностного натяжения раствора желчи получены следующие результаты для раствора — 45 капель, для воды — 60 капель. Каким по отношению к воде является это вещество — ПАВ или ПИВ? 6. Предельное значение гиббсовской адсорбции ( ) пентановой кислоты равно 4 10 –6 моль/м 2 . Рассчитайте концентрацию кислоты в данном растворе, если известно, что при концентрации равной 4 10 –3 моль/л поверхностное натяжение ее раствора на 2 10 –3 Дж/м 2 меньше поверхностного натяжения чистой воды, а величина RT составляет 2480 Дж/моль. Ответ 19.84 10 –3 моль/л) Вариант 3 1. Дисперсная система (золь камфоры вводе) содержит 2 10 14 шарообразных частиц в 1 см. Подсчитайте общую поверхность частиц вещества дисперсной фазы (S), содержащихся в 100 мл этой системы, если диаметр частиц составляет 2 10 –6 см площадь поверхности шара равна 4 R 2 . (Ответ 25.12 м) 2. Какова величина поверхностной энергии эритроцитов ( G S ), содержащихся в крови взрослого человека, если известно, что поверхностное натяжение эритроцита равно 15 10 –3 Дж/м 2 , число эритроцитов 4 10 9 в 1 см, площадь поверхности единичного эритроцита составляет 22 10 –12 м, а объем кровил. Ответ 6.6 Дж) 3. На рисунке представлены изотермы поверхностного натяжения водных растворов ряда веществ бутанамина-1, нитрата кальция, пентанамина-1, маннозы, гексанамина-1. а) Какие из указанных веществ имеют изотермы типа I, II и III? Укажите к каким классам относятся соответствующие вещества ПАВ, ПИВ или к веществам, не изменяющим поверхностное натяжение их растворов. б) Соотнесите изотермы типа I со структурными формулами определенных Вами ПАВ. в) На всех изотермах ПАВ имеется участок, отражающий независимость от c. Какому состоянию поверхностного слоя соответствует этот участок 4. При сталагмометрическом определении поверхностного натяжения растворов некоторых веществ получены следующие результаты раствор №1 — 84 капли, раствор №2 — 51 капля, раствор №3 — 78 капель, раствор №4 — 70 капель, для воды — 65 капель. Определите поверхностное натяжение 24 этих растворов, считая, что их плотности одинаковы, H 2 O = 72.5 10 –3 Дж/м 2 и укажите в каких растворах находились ПАВ или ПИВ. 5. Для гомологов ряда одноатомных спиртов C n H 2n+1 OH были определены следующие величины поверхностной активности (g): –10 10 –5 ; –0.9 10 –5 ; –3.0 10 –5 ; –11.3 10 –4 Дж м моль –1 . Соотнесите эти значения со структурными формулами спиртов бутанол, гептанол-1, пентанол-1, пропанол и нарисуйте изотермы адсорбции для этих веществ на границе раствор—воздух. Покажите на примере любой пары из этих спиртов применимость правила Дюкло—Траубе. 6. При нормальных условиях величина предельной адсорбции (a ) CO 2 на адсорбенте цеолите равна 0.05 моль/г. Равновесная концентрация CO 2 , соответствующая величине адсорбции 0.025 моль/г, равна 1 10 –3 моль/л. Определите, какую массу цеолита необходимо использовать для снижения в три раза концентрации CO 2 в 100 л воздуха, если начальная концентрация CO 2 равна 4.5 10 –3 моль/л. Ответ 10 г) 3. ХРОМАТОГРАФИЯ Хроматография как метод физико-химического исследования нашла широкое применение в биологии и медицине. Она используется для выделения, разделения и идентификации составных частей биологических объектов, различных препаратов и т. д. Широкое распространение хроматографии определяется ее достоинствами универсальностью, быстротой и надежностью. 3.1. Основные закономерности и понятиях рома тог рафии Хроматография — это метод разделения веществ, основанный на различии в скоростях движения концентрационных зон исследуемых веществ, которые перемещаются в потоке подвижной фазы (элюента) вдоль слоя неподвижной фазы. Неподвижная фаза представляет собой адсорбент с развитой поверхностью, а подвижная — поток газа (пара) или жидкости, фильтрующийся через слой адсорбента. Исследуемые вещества при этом распределяются между обеими фазами. Различие в распределении компонентов смеси между фазами определяет различие в скоростях движения их концентрационных зон. 3.2. Классификациях рома тог рафии по агрегатному состоянию подвижной фазы хроматографию делят на газовую и жидкостную по агрегатному состоянию неподвижной фазы газовую хроматографию подразделяют на газо-твердофазную (неподвижная фаза — твердый адсорбент) и газожидкостную (неподвижная фаза — жидкость, нанесенная тонким слоем на поверхность твердого пористого инертного носителя аналогично жидкостную хроматографию подразделяют на жидкостно-твердофазную Эти названия рекомендованы правилами ИЮПАК (IUPAC – Международный союз по чистой и прикладной химии. Теми же правилами рекомендуется называть гель- хроматографию молекулярно-ситовой, а аффинную – биоспецифической (см. далее. 25 неподвижная фаза — твердый адсорбент) и жидкостно-жидкостную неподвижная фаза — жидкость, заполняющая поры твердого носителя по геометрии неподвижной фазы выделяют колоночную и плоскостную хроматографию к плоскостной хроматографии относятся тонкослойная и бумажная хроматография по доминирующему механизму процесса разделения хроматографию подразделяют на адсорбционную — основана на различии в физической адсорбции разделяемых компонентов ионообменную — основана на различной способности компонентов к ионному обмену с адсорбентом-ионитом; молекулярно-ситовую — основана на различной проницаемости в неподвижную фазу молекул разделяемых веществ вследствие разного размера молекул биоспецифическую — основана на высокой специфичности связывания разделяемых компонентов с неподвижной фазой распределительную — основана на различии коэффициентов распределения компонентов в жидкостях подвижной и неподвижной фазы. 3.3. Применение различных методов хроматографии. Описание процессов хроматографического разделения Выбор того или иного метода хроматографии для разделения или анализа смесей веществ по аппаратурному оформлению, геометрии неподвижной фазы или механизму разделения определяется характером исследуемых веществ и их количеством. Газовая хроматография служит для разделения газовых смесей, летучих или термически устойчивых веществ с молекулярной массой до 300 Дальтон. Жидкостная хроматография применяется для разделения нелетучих веществ с молекулярной массой от 300 до 1000 Дальтон и более и термически неустойчивых соединений, главным образом биологического характера. 3.3.1. Адсорбционная хроматография Наиболее универсальным методом хроматографического разделения веществ является адсорбционная хроматография. При прохождении смеси веществ в подвижной фазе через неподвижную на границе раздела этих фаз многократно повторяются чередующиеся акты адсорбции и десорбции молекул веществ смеси. В результате, сильносорбирующиеся вещества дольше находятся в сорбированном состоянии и медленнее движутся через слой адсорбента, чем слабосорбирующиеся. Таким образом, различие в адсорбции определяет различие в скоростях движения концентрационных зон разделяемых компонентов при перемещении их относительно неподвижной фазы, за счет чего и происходит разделение. Такое подразделение несколько условно, так как на практике часто реализуются одновременно несколько механизмов разделения, поэтому мы вынуждены классифицировать хроматографию по доминирующему механизму. 26 К адсорбционной хроматографии относятся газо-твердофазная, газожидкостная и жидкостно-твердофазная хроматография. По геометрии неподвижной фазы адсорбционная хроматография выполняется и как колоночная, и как плоскостная (тонкослойная. Колоночная жидкостно-твердофазная хроматография. Различные виды колоночной хроматографии служат, в основном, для разделения макроскопических (граммовых) количеств смесей веществ, для очистки и выделения веществ органического происхождения, синтетических или природных. В качестве хроматографических колонок используются стеклянные трубки. В нижнюю часть трубки вставляют неплотный тампон из обычной или стеклянной ваты или пористые стеклянные пластинки. Колонку закрепляют вертикально и наполняют адсорбентом или носителем жидкой неподвижной фазы. В жидкостно-твердофазной хроматографии в качестве адсорбента используют тонкоизмельченные силикагель или оксид алюминия, представляющие собой частицы шаровидной или неправильной формы. Анализируемую смесь веществ растворяют в подвижной фазе и вносят ее сверху в колонку. После того, как раствор впитается, колонку промывают подвижной фазой до тех пор, пока компоненты смеси не образуют в колонке раздельные концентрационные зоны. Дальнейшее промывание колонки подвижной фазой (элюентом) приводит к выделению разделенных веществ в виде растворов в подвижной фазе. Эти растворы собирают по отдельности и, удаляя растворитель, получают вещества в чистом виде. 1 ê î ë î í ê à 2 òà ì ï î í è ë è ï î ð è ñòàÿ ï ë à ñòè í ê à 3 à ä ñî ð á å í ò è ë è í î ñè òå ë ü 4 ó ñòð î é ñòâ î ä ë ÿ ï î ä à÷è ýë þ å í òà 5 ê î í ö å í òð àö è î í í û å çî í û ð à çä å ë ÿå ì û õ â å ù å ñòâ 6 å ì ê î ñòü ä ë ÿ ñá î ð à ð à çä å ë åí í û õ â å ù å ñòâ 1 2 3 4 6 Рис. 3.1. Хроматографическая колонка Газожидкостная хроматография (ГЖХ). Газожидкостная хроматография применяется для анализа или препаративного разделения как микро- таки макроколичеств самых разнообразных смесей веществ с помощью специальных приборов — газожидкостных хроматографов. 27 В газожидкостном хроматографе исследуемая смесь подается в дозатор- испаритель, в котором исследуемые вещества испаряются и переносятся потоком инертного газа-носителя (элюента) в колонку. В колонке вещества разделяются и попадают в детектор, фиксирующий их выход из колонки. Сигнал детектора регистрируется самописцем, записывающим хроматограмму в виде отдельных хроматографических зон (пиков. Площадь каждого пика хроматограммы пропорциональна содержанию вещества в смеси (рис. 3.2). Риса) Схема газожидкостного хроматографа б) ГЖ хроматограмма трехкомпонентной смеси Несмотря на то, что ГЖХ один из самых универсальных методов разделения смесей соединений с молекулярной массой до 300 Дальтон, она имеет серьезный недостаток, заключающийся в необходимости испарять исследуемые вещества, поэтому, например, аминокислоты, не выдерживающие нагревания, перед анализом необходимо переводить в более летучие производные. Высокоэффективная жидкостная хроматография высокого давления (ВЭЖХ). Метод колоночной жидкостно-адсорбционной хроматографии лежит в основе действия высокоэффективных жидкостных хроматографов высокого давления. Основные части жидкостного хроматографа — насос высокого давления, система введения пробы, хроматографическая колонка, детектор и самописец или специальный компьютер. Хроматографические колонки для жидкостных хроматографов изготавливаются из сплошных стальных трубок, способных выдерживать большое давление. Жидкостные хроматографы по сравнению с газожидкостными имеют то преимущество, что исследуемые вещества хроматографируются без предварительного испарения, поэтому эти хроматографы применяются, в частности, в приборах для анализа аминокислотной последовательности пептидов — секвинаторах. 28 аж и дкость дозатор колонка детектор самописец насос высокого давления б sp T hr Ser Pro G ly A la C ys V al M et Ile L eu T yr Phe H is L ys A Ввод смеси мин Рис. 3.3. а) Схема жидкостного хроматографа высокого давления б) ВЭЖ хроматограмма смеси аминокислот 3.3.2. Молекулярно ситовая хроматография (гель фильтрация, г ел ь-п ро ника ю ща я, экс клюз ионная хроматография) Как уже отмечалось, в основе ее лежит различие в способности молекул разного размера проникать в поры неподвижной фазы. Неподвижной фазой служат неионогенные гели — твердые пористые тела. Поры могут быть заполнены газом или жидкостью. Гели могут быть неорганические (цеолиты, силикагель, керамические слабообожженные материалы) и органические полимеры на основе глюкозы — сефадекс, сефароза; полимерные смолы на основе стирола и дивинилбензола — дауэкс, амберлит), (рис. 3.4). Молекулярно-ситовую хроматографию в зависимости от рода элюента подразделяют на гель-фильтрацию (элюент — вода) и гель-проникающую хроматографию (элюент — органический растворитель. В молекулярно-ситовой хроматографии колонка, плотно заполненная гранулами геля, имеет принципиальную структурную особенность достаточно небольшие молекулы разделяемых компонентов могут проникать в поры геля, а крупные молекулы в них не проникают. В результате этого при пропускании через колонку подвижной фазы крупные молекулы проходят через колонку быстрее и вымываются из колонки раньше, чем мелкие. 29 Рис. 3.4. Схема разделения белков в молекулярно-ситовой хроматографии Метод молекулярно-ситовой хроматографии используется для разделения макромолекул белков, нуклеиновых кислот, вирусов. Кроме разделения смесей макромолекул этот вид хроматографии находит применение для удаления низкомолекулярных соединений или солей из растворов макромолекул. Например, один из простейших способов выделения белков состоит в избирательном осаждении их сульфатом аммония высаливание белков. Когда выделенный белок затем вновь растворяют, его необходимо предварительно очистить от соли. Так как молекулы белка и ионы соли значительно различаются по размерам, молекулярно-ситовая хроматография является простым способом удаления солей. |