Úlohy:

1.) Zmerajte časovú závislosť úbytku rozpúšťadla pri jeho prechode membránou.

 

2.) Zo smernice grafu vypočítajte objemový tok J_V a následne hydraulický koeficient vodivosti L_V.

Teoretický úvod:

 

V systéme dvoch roztokov sa uplatňujú v závislostí od membránových vlastností tak toky rozpúšťadla J_L, tak aj toky rozpustených látok J_S , až kým sa voľné entalpie pre rozpúšťadlo a rozpustenú látku v oboch roztokoch nevyrovnajú.

Pre ideálne systémy a malé koncentrácie látok možno systém popísať Rayleigho disipatívnou funkciou:

kde J_V – objemový tok materiálu, ktorý prechádza cez membránu a je tvorený

superpozíciou súčinu toku a molárneho objemu rozpúšťadla a látky,

J_D – difúzny tok /výmenný tok/, znamená rozdiel rýchlostí medzi tokom látky a tokom rozpúšťadla

p – hydrostatický tlak

π – osmotický tlak.

Objemový a difúzny tok sa dajú vyjadriť lineárnou kombináciou Δp a Δπ za predpokladu lineárnych vzťahov medzi silami a tokmi. Na výpočet tohto systému je potrebné poznať hnacie sily Δp a Δπ ako aj koeficienty spriahnutia. Onsager na základe štatisticko-termodynamických odvodení dokázal, že v blízkosti rovnováhy sú navzájom symetrické koeficienty rovnaké. Pre určité experimentálne podmienky možno systém rovníc zjednodušiť a v prípade lineárnej dynamickej rovnováhy možno definovať Stavermanov reflexný koeficient s /ako podiel Δp a Δπ/, ktorý charakterizuje selektívnu priepustnosť membrány voči jednoduchému roztoku neutrálne látky. Rozlišujeme dve hraničné podmienky. V prvom prípade je membrána pre rozpustnú látku úplne nepriepustná a celkový rozdiel osmotických tlakov Δπ sa realizuje ako rozdiel hydrostatických tlakov Δp. Takéto membrány, ktoré majú pre určité látky reflexný koeficient s = 1, budú vzhľadom na tieto látky semipermeabilné. V druhom hraničnom prípade má rozpúšťadlo aj rozpustená látka vzhľadom na membránu tú istú rýchlosť postupu cez membránu. To znamená, že Δπ nevyvoláva žiadny rozdiel hydrostatických tlakov Δp a reflexný koeficient je s = 0. Pre biologické membrány budú spravidla hodnoty s ležať medzi 0 až 1.

Experimentálna časť:

 

Ako membránu použijeme tenký plátok zemiaku. Musí mať optimálnu hrúbku, pri hrubom by nedošlo ani k pohybu vody, pri veľmi tenkom by sa pohybovala voda spolu s rozpúšťadlom. Merací princíp spočíva v tom, že po uzavretí spojenia medzi zásobníkom naplnenými roztokmi dôjde na základe rozdielov osmotických tlakov medzi oboma polovicami meracej komôrky k objemovému toku J_V, ktorý možno pozorovať prostredníctvom posunu menisku v meracích kapilárach. Posun menisku sa odčítava na meradle. V meracích kapilárach má byť podľa možností rovnaké množstvo vody, aby bola splnená podmienka rovnosti hydrostatických tlakov Δp = 0.

Namerané hodnoty:

Pri experimente sme použili ako rozpúšťadlo sacharózu s molovou hmotnosťou = 342,3 g/mol. Na dosiahnutie koncentrácie C = 0,4 mol/l musíme teda v 0,3 l vody rozpustiť 41,11 g sacharózy.

t [min]	0	1	2	3	4	5	6	7
V [mm3]	21	22,5	24	26	28,5	30	33	36
t [min]	8	9	10	11	12	13	14	15
V [mm3]	37	39,5	41,5	44	46	48	50	52,5

Z nameraných hodnôt sme znázornili grafickú závislosť V /objemový tok/ = f (t), a určili sme jej smernicu.

Zo smernice rovnej 3,557 je možné vypočítať objemový tok materiálu

= 4,6687.10^-7 ms^-1

kde ΔV – objem ktorý prejde cez membránu

Δt – časový interval ktorý sa meria

S_m – plocha membrány (d = 1 cm => S_m = 78,5375 mm²)

Osmotický tlak v roztoku so sacharózou:

Π₂ = RTC = 8,314.293,15.400 = 974,9 kJm^-3

Hydraulický koeficient priepustnosti daného systému je teda popísateľný:

Záver:

Jav kedy membrána prepúšťa vodu, ale nie látky rozpustené vo vode sa nazýva osmóza. Tlak na membránu, osmotický tlak, je tlak, ktorým rozpustené látky vo forme molekúl a iónov pôsobia na určitú stenu, pričom vyvolaný plak zodpovedá tlaku molekúl a iónov pri danej teplote a danom objeme v plynnom skupenstve.

Zadanie :

1. Stanovte termodynamické parametre plátku zemiaku. Stanovte vodivosť tohto plátku.

 

Teoretický úvod:

V systéme dvoch roztokov sa uplatňujú v závislostí od membránových vlastností tak toky rozpúšťadla J_L, tak aj toky rozpustených látok J_S , až kým sa voľné entalpie pre rozpúšťadlo a rozpustenú látku v oboch roztokoch nevyrovnajú.

Pre ideálne systémy a malé koncentrácie látok možno systém popísať rovnicou:

kde J_V – objemový tok materiálu, ktorý prechádza cez membránu

J_D – difúzny tok, znamená rozdiel rýchlostí medzi tokom látky a tokom rozpúšťadla

Δp – hydrostatický tlak

Δπ – osmotický tlak

Stavermanov reflexný koeficient – charakterizuje selektívnu priepustnosť membrány voči jednoduchému roztoku neutrálne látky. Rozlišujeme dva hraničné podmienky. V prvom prípade je membrána pre rozpustnú látku úplne nepriepustná a celkový rozdiel osmotických tlakov Δπ sa realizuje ako rozdiel hydrostatických tlakov Δp. Takéto membrány, ktoré majú pre určité látky reflexný koeficient σ = 1, budú vzhľadom na tieto látky semipermeabilné. V druhom hraničnom prípade má rozpúšťadlo aj rozpustená látka vzhľadom na membránu tú istú rýchlosť postupu cez membránu. To znamená, že Δπ nevyvoláva žiadny rozdiel hydrostatických tlakov Δp a reflexný koeficient je σ = 0. Pre biologické membrány budú spravidla hodnoty σ ležať medzi 0 až 1.

 

Experimentálna časť:

Ako membránu použijeme tenký plátok zemiaku. Musí mať optimálnu hrúbku, pri hrubom by nedošlo ani k pohybu vody, pri veľmi tenkom by sa pohybovala voda spolu s rozpúšťadlom. Merací princíp spočíva v tom, že po uzavretí spojenia medzi zásobníkom naplnenými roztokmi dôjde na základe rozdielov osmotických tlakov medzi oboma polovicami meracej komôrky k objemovému toku J_V, ktorý možno pozorovať prostredníctvom posunu menisku v meracích kapilárach. Posun menisku sa odčítava na meradle. V meracích kapilárach má byť podľa možností rovnaké množstvo vody, aby bola splnená podmienka rovnosti hydrostatických tlakov Δp = 0.

 

 

Schéma zapojenia:

 

 

Namerané hodnoty:

Pri experimente sme použili ako rozpúšťadlo sacharózu, s molovou hmotnosťou = 342,3 g/mol. Na dosiahnutie koncentrácie C = 0,2 mol/l musíme v 0,3 l vody rozpustiť 20,5 g sacharózy. Plocha kapiláry je 1mm² . Plátok zemiaka má hrúbku 1mm a priemer 1 cm, z čoho plocha zemiaka je 7,85.10^-5 m².

 

t[min]	0,0	0,5	1,0	1,5	2,0	2,5	3,0	3,5	4,0	4,5
Jv[mm]	5	7	9	10	12	14	16	18	19	21
t[min]	5,0	5,5	6,0	6,5	7,0	7,5	8,0	8,5	9,0	9,5
Jv[mm]	23	25	26	28	30	32	34	35	37	39

 

 

 

Z nameraných hodnôt sme znázornili grafickú závislosť V = f (t), a určili sme jej smernicu:

Zo smernice je možné vypočítať hustotu toku vody.

=

 

Osmotický tlak v roztoku so sacharózou:

Π₂ = RTC = 8,314. 293K .0,2 mol / l = 487,2.10³ Jm^-3

 

 

Hydraulický koeficient priepustnosti daného systému je teda popísateľný:

 

Záver:

Jav kedy membrána prepúšťa vodu, ale nie látky rozpustené vo vode sa nazýva osmóza. Tlak na membránu, osmotický tlak, je tlak, ktorým rozpustené látky vo forme molekúl a iónov pôsobia na určitú stenu, pričom vyvolaný plak zodpovedá tlaku molekúl a iónov pri danej teplote a danom objeme v plynnom skupenstve.

Týmto meraním sme zistili, že hydraulický koeficient vodivosti l_v je 1,55.10^-12 m⁴J^-1s^-1.

Zadanie úlohy:

Zostrojte graf závislosti parametra usporiadania S od teploty a z polohy inflexného bodu zistite teplotu fázového prechodu.

 

Experimentálna časť:

Každá bunka je ohraničená poddajným obalom tzv. plazmatickou membránou. Hlavným cieľom vo výskume štruktúry biologických membrán je odhaliť organizačné princípy pre zložky prítomné v membráne (lipidy, bielkoviny). Dvojvrstva lipidov tvorí štruktúrnu kostru membrány, bielkoviny sprostredkovávajú väčšinu jej biologických funkcií. Po chemickej stránke lipidy, ktoré sa zúčastňujú na stavbe membrán patria do triedy fosfoglyceridov. Sú to amfipatické molekuly, zložené z dvoch častí, ktoré majú rozdielnu polaritu, a tým aj rozdielnu rozpustnosť v polárnych rozpúšťadlách. Molekuly lipidov do určitej kritickej koncentrácie vytvárajú vo vode agregáty (nadmolekulové útvary), ktorých tvar závisí od tvaru a rozmerov týchto molekúl.

 

Fyzikálny stav fosfolipidov je do určitej miery závislý od teploty. Pri zvyšovaní teploty možno pozorovať endotermický fázový prechod z kryštalického do tekutokryštalického stavu, ktorý je charakterizovaný nižším stupňom usporiadanosti reťazcov mastných kyselín lipidov.

Pri teplote pod T_f, v kryštalickej fáze, sú reťazce usporiadané v pravidelnej hexagonálnej dvojrozmernej mriežke, pričom všetky C – C väzby sú v polohe “trans“. Nad touto teplotou dochádza k narušeniu usporiadania spôsobého možnými rotáciami okolo väzby C – C, vytvárajú sa tzv. “gaucheho“ ratácie. Uvedená porucha má za následok porušenie pravidelnosti ukladania atómov C v kostre uhľovodíkového reťazca. Nepravidelnosti v usporiadaní, ktoré sú stimulované vyššou teplotou majú vplyv na transportné procesy cez membránu, a tým aj na životné procesy, ktoré sa odohrávajú v bunke obklopenej membránou

 

Ramanova spektroskopia – kompletizuje informácie o vibračnom stave molekuly získané z IČ spektra.

Ak prechádza svetelný lúč nejakým prosredím, určirý podiel dopadajúceho svetla sa absorbuje, časť svetla prejde prostredím bez zmeny a časť sa rozptýli. Prevažná časť svetla sa pritom rozptýli bez zmeny vlnovej dĺžky (Rayleighov rozptyl), ale popri tom nestáva v malom rozsahu rozptyl svetla, pri ktorom sa mení jeho vlnová dĺžka. Ak je dopadajúce žiarenie monochromatické, nájdeme v spekre roztýleného svetla niekoľko čiar, ktorých vlnová dĺžka je v porovnaní s vlnovou dĺžkou dopadajúceho svetla v obidvoch smeroch pousnutá.

Z experimentálneho hľadiska má oproti IČ niekoľko výhod:

¨ potrebné množstvo vzorky je niekoľko mg až μg

¨ vzorku možno použiť na iné merania

¨ agresívne, na vzduchu nestále drahé kvapaliny možno snímať primo v zatavených ampulkách

¨ voda má veľmi slabé Ramanovo spekrum, preto je veľmi vhodná ako rozpúšťadlo

¨ možno merať hotobé výrobky bez úpravy vzorky

 

Spektrá sme merali Ramanovou spektroskopiou. Jednotlivé spektrá boli merané v rozsahu teplôt 32 – 47 °C. Z jednotlivých nameraných spektier sme určili pomer čiar Y1/Y2, 2830 : 2850 cm^-1.

Z grafickej závislosti sme mohli určiť teplotu fázového prechodu.

 

Namerané hodnoty:

Záver:

Z Ramanových spektier sme určili pomer hodnôt čiar pri 2830 a 2850 cm^-1, takto sme mohli urobiť grafickú závislosť S = f (teploty). Hodnotu teploty fázového prechodu sme odčítali, z inflexného bodu krivky. Kritická teplota fázového prechodu je okolo hodnoty T_f = 42,5°C.