Kémia fogorvostan hallgatóknak Munkafüzet 8. hét

Átírás

1 Kémia fogorvostan hallgatóknak Munkafüzet 8. hét Egyensúlyok vizsgálata, a kromatográfia alapjai (Gyakorlatos jegyzet: oldal) Írták: Agócs Attila, Berente Zoltán, Gulyás Gergely, Jakus Péter, Lóránd Tamás, Nagy Veronika, Radó-Turcsi Erika, Takátsy Anikó Szerkesztette: Nagy Veronika Név: Csoport: Dátum: A gyakorlaton használt anyagok veszélyeire az alábbi piktogramokkal utalunk: ártalmas, irritáló maró mérgező tűzveszélyes oxidáló, az égést táplálja robbanásveszélyes a környezetre ártalmas 1

2 Labor zh-kérdések 1. Írja fel a termodinamika I. főtételét szavakkal és egyenlettel, a jelölések magyarázatával! 2. Mi az entalpia, mi a mértékegysége? 3. Milyen reakciókat nevezünk endoterm és exoterm folyamatoknak? Hogyan változik a rendszer etalpiája ezekben a folyamatokban? 4. Hess tétele szerint függ-e a kémiai reakcióban felszabaduló hőmennyiség: A reagáló anyagok kezdeti állapotától? A reagáló anyagok mennyiségétől? A képződő végtermékek minőségétől? A részreakciók sorrendjétől? 5. Az alább megadott képződéshőkből hogyan számolná ki a következő átalakulás reakcióhőjét? (Nem kérjük a számolás elvégzését, csak az elvét.) C 6H 6 (f) + 7,5 O 2 (g) = 6 CO 2 (g) + 3 H 2O (f) ΔH k (C 6H 6 f): +49,6 kj/mol; ΔH k (CO 2 g): -393,5 kj/mol; ΔH k (H 2O f): -285,8 kj/mol; 6. Írja fel az ammónia-szintézis egyenletét és a folyamat egyensúlyi állandóját! 7. Milyen reakciókra érvényes, és mit fejez ki a tömeghatás törvénye? 8. Mit mond ki a Le Châtelier-Braun elv? Szemléltesse egy példával! 9. Mit jellemez az egyensúlyi állandó? Mely anyagok vannak túlsúlyban kicsi és nagy K értékek esetén? 10. Írja fel a termodinamika 2. főtételét, a jelölések magyarázatával! 11. Hasonlítsa össze az entrópiákat egy anyag különböző halmazállapotában! 12. Írja fel a Gibbs-egyenletet! Mit jelent az exergonikus és endergonikus reakció? 13. Milyen irányban játszódnak le önként a kémiai folyamatok? 14. Milyen összefüggés van egy reakció szabadentalpia változása és a standard reakciószabadentalpia között? Írjon egyenletet! 15. Milyen összefüggés van egy reakció egyensúlyi állandója és a standard reakciószabadentalpia között? Írjon egyenletet! 16. Írja fel a trifoszforsav hidrolízisét! Mi az ATP szerepe az élő szervezetben? 17. Milyen kémhatású a nátrium-acetát vizes oldata? Válaszát egyenletekkel indokolja! 18. Milyen kémhatású a kálium-cianid vizes oldata? Válaszát egyenletekkel indokolja! 19. Milyen kémhatású a magnézium-klorid vizes oldata? Válaszát indokolja! 20. Miért savas kémhatású a vas(iii)-klorid vizes oldata? Válaszát egyenlettel indokolja! 21. Mi az oldhatóság? 22. Vezesse le az ólom(ii)-klorid disszociációs egyensúlyából az oldhatósági szorzatot! 23. Miért használnak bárium-szulfátot kontrasztanyagként röntgen vizsgálatokhoz és bárium-karbonátot nem? Írjon reakcióegyenletet! 24. Milyen összetételű lehet a vesekő? Adjon min. 3 példát! A válaszokhoz ld: Orvosi kémiai gyakorlatok jegyzet o. 2

3 Sók hidrolízise Szükséges anyagok: a lenti táblázatban szereplő só-oldatok, univerzál Na 2CO 3-oldat indikátor papír (8 db) Kivitelezés: Na 3PO 4-oldat Készítsünk elő két óraüvegre 4-4 db univerzális indikátor papírdarabot. A táblázatban szereplő oldatokból vegyünk ki egy cseppet, majd érintsük az egyik ph-papírhoz. Ügyeljen a sorrendre! Jegyezzük fel a tapasztalt színt, majd hasonlítsuk össze az indikátorpapír üvegén található skálával, és állapítsuk meg a körülbelüli ph-t. Só-oldat a só neve szín ph 1. NaHCO3 2. Na3CO3 3. NH4Cl 4. KAl(SO4)2 5. NaH2PO4 6. Na2HPO4 7. Na3PO4 8. NaCl Sav/bázis Savi disszociációs állandó 25 C-on (K s) szénsav (H 2CO 3) 4, hidrogén-karbonát (HCO 3 ) 4, hidrogén-szulfát (HSO 4 ) 1, foszforsav (H 3PO 4) 7, dihidrogénfoszfát (H 2PO 4 ) 6, hidrogénfoszfát (HPO 4 ) 1, ammónia (NH 3) bázis disszociációs áll. 1,

4 Adjon magyarázatot egyenletekkel a sóoldatok kémhatására! NaHCO 3 Na + + HCO 3 HCO 3 + H 2O H 2CO 3 + OH Na 3CO 3 NH 4Cl KAl(SO 4) 2 NaH 2PO 4 Na 2HPO 4 Na 3PO 4 CH 3COONa CH 3COONH 4 NaCl 4

5 Savi disszociációs egyensúlyok vizsgálata Szükséges anyagok: ecetsav-oldat, sósav-oldat, nátrium-acetát-oldat, metilvörös, víz Kivitelezés: a. Egy-egy kémcsőbe öntsünk ujjnyi ecetsavat, sósavat, ill. deszt. vizet. Mindháromhoz cseppentsünk 1-1 csepp metilvörös indikátort. Mit tapasztalunk? Mi az oka a különbségnek? Írjunk egyenletet az ecetsav és a sósav disszociációjára. Mi a különbség közöttük? b. Adjunk mindhárom oldathoz kevés nátrium-acetát oldatot és hasonlítsuk össze a keletkező rendszereket. Mit tapasztalunk? Milyen kémhatású a nátrium-acetát oldata? Válaszát indokolja egyenlettekkel! Hogyan befolyásolja az ecetsav disszociációját a nátrium-acetát hozzáadása? Milyen kémhatású a keletkező oldat? Hogyan befolyásolja a sósav disszociációját a nátrium-acetát hozzáadása? Milyen kémhatású a keletkező oldat? 5

6 Rosszul oldódó sók oldhatóságának összehasonlítása ammónium-oxalát Szükséges anyagok: gipszes víz, ammónium-oxalát-oldat Kivitelezés: Telített kalcium-szulfát-oldathoz (gipszes víz) adjon kevés ammónium-oxalát-oldatot! Mit tapasztal? Írjon reakciegyenletet! A megfigyelései alapján állapítsa meg, hogy a kalcium-szulfát vagy a kalcium-oxalát oldhatósági szorzata nagyobb-e! Megjegyzés: A gipsz oldhatósága nagyon alacsony, vízben gyakorlatilag csapadék, ezért alkalmas törött végtagok rögzítőkötésének készítésére. A vizeletből kiváló kalcium-oxalát a vesekövek gyakori komponense. Adszorpciós kromatográfia Kromatográfián azokat az elválasztási módszereket értjük, amikor egy keverék komponenseinek szétválasztása két egymással érintkező fázis (állófázis és mozgófázis) közötti megoszlási különbség alapján történik. Az elválasztandó elegy komponensei különböző mértékben kötődnek valamilyen fizikai-kémiai mechanizmus szerint az állófázishoz, amelynek mentén az előrehaladást a mozgófázis biztosítja. A kromatogramok kifejlesztése elúciós módszerrel történik. Ilyenkor az állófázisra felvisszük a mintakeveréket és addig áramoltatjuk az oldószert (a mozgófázist), míg az egyes komponensek el nem különülnek egymástól. Az állófázishoz erősen kötődő anyag alig mozdul, míg a gyengén kötődő sokkal gyorsabban halad előre a mozgófázissal (eluálódik) (1. ábra). keverékminta mozgófázis iránya állófázis A+B+ A B C 1. ábra. Az elúció elve Az adszorpciós kromatográfiában a nagy felületű szilárd állófázis és a szétválasztandó elegy alkotói között fellépő különböző adszorpciós erők következtében kialakuló heterogén (gáz-szilárd, folyadék-szilárd) egyensúlyok játszanak szerepet. Az adszorpció erőssége függ a szétválasztandó molekulák funkciós csoportjainak polaritásától és számától, a molekula térszerkezetétől, a molekulamérettől valamint az adszorbens és mozgófázis polaritásviszonyától is. Általában poláris állófázist (pl. papír, szilikagél, kovaföld, magnézium-oxid, kalcium-karbonát stb.) és többnyire apoláris mozgófázist (apoláris oldószert) használunk. 6

7 Filctoll-festékek vizsgálata körpapír kromatográfiával toluol A kromatográfiás elválasztás folyamatát könnyen tanulmányozhatjuk színes filctoll festékek kromatografálásával. metanol Szükséges anyagok: színes filctollak, toluol-metanol 10:1 arányú elegye, Whatman N 1 típusú kromatografáló papír Kivitelezés: A fejlesztőszerből (toluol-metanol 10:1 elegye) 10 cm 3 -t töltsünk a Petri-csésze alsó (kisebb átmérőjű) részébe, majd fedjük le. Kb. 2-3 cm széles szűrőpapír-csíkból vágjunk egy 3-4 cm hosszú darabot, és szorosan sodorjuk fel, hogy egy 2-3 cm magas, vékony hengert kapjunk belőle (ez lesz a kanóc, amelyen keresztül az oldószer felszívódik). Ceruzával jelöljük meg a négyzet alakú kromatográfiás papír (Whatman N 1) középpontját! A különböző színű filctollakkal húzzunk 8 10 mm-es íveket a papír középpontjától mért kb. 1 cm sugarú kör mentén. Négynél több mintát ne vigyünk fel a papírra, és a különböző színű körívek ne érintkezzenek egymással! Mutatós körkromatogramot kapunk, és jól látható az elválás, ha az egyik mezőn egymásra rajzolva az összes használt színt együtt futtatjuk. A mintafelvitel után készítsünk apró lyukat a négyzet alakú kromatográfiás papír középpontjában és szúrjuk keresztül rajta a szűrőpapír-hengert. Ezután a kanóccal ellátott papírt helyezzük a Petri-csészére úgy, hogy a papírhenger 3 4 mm-re érjen az oldószerbe és a Petri-csésze felső részével fedjük le. A kromatogram perc alatt kifejlődik. Amikor az oldószerfront eléri a Petri-csésze szélét, vegyük ki a kész kromatogramot az oldószerből és szárítsuk meg, majd ragasszuk be a munkafüzetbe. Hány komponens fedezhető fel az egyes filctollak színanyagában? szín 1: szín 2: szín 3: szín 4: Mi az elválasztás fizikai magyarázata? Vonjon le következtetést a középponthoz legközelebbi és a középpontól legtávolabbi színkomponens polaritásáról! A kísérlet végeztével öntse a Petri-csészében maradt eluenst a fülke alatt található gyűjtőedénybe, majd hagyja a Petricsészét megszáradni. Ne mosogassa el vízzel! 7

8 Bemutató kísérlet Vizes kálium-kromát-oldat ionmentesítése ioncserélő gyantával Szükséges anyagok: kálium-kromát oldat, desztillált víz, Varion AD típusú anioncserélő gyanta, Varion AD típusú kationcserélő gyanta, nátriumhexanitrito-kobaltát(iii) oldat Kivitelezés: A büretta alsó részét a szűkület előtt zárjuk el kis vattacsomóval, majd töltsünk bele szuszpendált anioncserélő gyantából annyit, hogy ülepedés után cm magasságú oszlopot képezzen. Engedjük le a desztillált vizet a gyantaoszlop felszínéig és fedjük le vattadugóval. Erre annyi kationcserélőt töltsünk, hogy ülepedés után ugyancsak cm magas legyen. Ezután engedjük le a vizet az oszlop felszínéig és 1 cm 3 híg K 2CrO 4-oldatot vigyünk fel. Ha a vizes oldat beszívódott, töltsük fel desztillált vízzel a bürettát, és az átfolyási sebességet állítsuk be 1 csepp/s-ra. A felső oszloprész csak a színtelen K + -t cseréli ki, így látható, amint a színes kromát-oldat átvándorol a két gyantaréteget elválasztó vattadugón. Az alsó rétegben kicserélődik a CrO 4 2- is, így a színtelen oldószer (víz) hagyja el az oszlopot. A színtelen K + lecserélését Na-hexanitrito-kobaltát(III) reagenssel igazolhatjuk: a hexanitrito-kobaltát(iii) káliumionokkak sárga csapadékot képez. 3 K + + Na 3[Co(NO 2) 6] K 3[Co(NO 2) 6] + 3 Na + Az ioncserélő kromatográfiában egyensúlyi ionkicserélődési reakciók sorozatán keresztül jön létre az elválasztás. Az állófázis oldhatatlan, térhálós szerkezetű, makromolekuláris anyag ("mátrix"), amely töltéssel rendelkező aktív helyeket, azaz ioncserélő funkciós csoportokat tartalmaz. Ezek az aktív helyek gyenge savak vagy bázisok, melyek vizes oldatban disszociálnak, tehát H + vagy OH ellenionok tartoznak hozzájuk. A kromatografálás során az ellenionnál nagyobb affinitással rendelkező ionok kapcsolódnak az oldatból az aktív csoporthoz, miközben az eredetileg kötött ellenionok (H + vagy OH ) a mozgófázisba kerülnek és az eluenssel való mosáskor eluálódnak az oszlopról. szerint: A kationcserélő gyanta H + -ionjai az oldatban lévő más kationokkal (pl. Na + ) cserélődnek ki, pl. a következő egyenlet SO3..H + + Na + SO3..Na + + H + K 2CrO 4 Na 3[Co(NO 2) 6] A kationcserélő gyantán áthaladva tehát az oldat kationjai helyett H + -ionok kerülnek a mintába. 3. ábra. Az ioncsere vázlata 8

9 Az anioncserélő OH -ionjai az oldatban lévő más anionokkal cserélődnek ki: NH 3+..OH + Cl NH 3+..Cl + OH Ha egy ionvegyület oldatát előbb kationcserélő, majd anioncserélő gyantán szűrjük át, akkor végeredményképpen tiszta vizet kapunk, hiszen kationok H + -ra, az anionok OH -ra cserélődtek ki. A tömeghatás törvénye szerint az ioncsere-egyensúlyt a mozgófázisban lévő ionok koncentrációja is befolyásolja, így a kimerült gyanta regenerálható. A kimerült kationcserélő gyanta újra az eredeti savas formába vihető nagy H + -ionkoncentrációjú oldattal. A sav feleslegét ezután desztillált vízzel mossák ki. Az anioncserélő gyanta nagy OH -ion koncentrációjú oldattal állítható vissza az eredeti lúgos formába. Az ioncserélő gyanták térhálós polimer alapvázat tartalmaznak (pl. cellulózok, dextrángélek, furfurol-gyanták, poliamidok). Ehhez az alapvázhoz kovalens kötéssel kapcsolódnak az ioncserére alkalmas, disszociációra képes csoportok. A kationcserélők savanyú csoportokat (szulfonsav, hidrogénfoszfát, karboxil-csoport, fenolos OH), az anioncserélők pedig bázikus csoportokat (aminok, hidroxil-aminok, kvaterner ammónium bázisok) tartalmaznak (ld. 3. ábra). A módszer alkalmas a különböző típusú ionos karakterű anyagok elválasztására (aminosavak, fehérjék, enzimek, alkaloidok, nukleotidok, szerves savak, bázisok stb.). Az ioncserélők nagy jelentőséggel bírnak a víztisztítási eljárásoknál is. Van-e minőségi különbség a desztillált víz és az ioncserélt víz között? Mi az előnye az ioncserés kromatográfiának a desztillálással szemben a víz ion mentesítése során? Sorolja fel indokait! Hogyan mérhető a víz elektrolit tartalma? 9

10 Bemutató kísérlet A jód megoszlási egyensúlya egymással nem elegyedő oldószerekben Szükséges anyagok: telített vizes jód-oldat, hexán, víz jód hexán Kivitelezés: Egy választótölcsérbe öntsünk telített vizes jód-oldatot. Rétegezzünk az oldatra 2-3 ujjnyi hexánt. Határozottan rázzuk össze a választótölcsér tartalmát! Mit tapasztal? Készítsen rajzot! Mivel magyarázható a tapasztalat? Írja fel a Nernst-féle megoszlási törvényt erre a rendszerre! Megjegyzés: Egy szerves anyag hidrofobicitását (ill. lipofilitását) az oktanol és víz közötti megoszlási hányadosával (P), ill. annak logaritmusával (logp) szokás jellemezni: anyag logp lg anyag ok tan ol víz ahol P a vizsgált anyag oktanol-víz megoszlási hányadosa, [anyag] oktanol és [anyag] víz a víz-oktanol kétfázisú rendszerben az anyag egyensúlyi koncentrációi. Minél magasabb a logp érték, annál jobban oldódik az anyag apoláros oldószerekben, és annál kevésbé vízben. A logp igen fontos információ az orvostudományban, mert megadja, hogy egy anyag milyen mértékben juthat át a sejtmembránon, mennyire szívódik fel és oszlik el a szervezetben, milyen gyorsan metabolizálódik és ürül ki a szervezetből. 10