Plazmoliza

Plazmoliza - tracenie wody w komórce przez zanurzenie jej w roztworze hipertonicznym. W wyniku tego następuje odstawanie cytoplazmy od ścian komórki. Dotyczy ona wyłącznie komórek roślinnych.

Wyróżniamy 3 rodzaje plazmolizy:

- kątowa
- wklęsła
- wypukła

Osmoza - dyfuzja rozpuszczalnika przez błonę półprzepuszczalną z roztworu hipotonicznego do hipertonicznego. Zjawisko odkryto, badając plazmolizę komórek skórki liści zapasowych cebuli - dotyczyło więc żywych komórek, w których błoną półprzepuszczalną jest błona komórkowa, a roztworami zawartość komórki i płyn pod szkiełkiem nakrywkowym preparatu mikroskopowego. Później nauczono się wytwarzać sztuczne błony półprzepuszczalne (np. celofan) i okazało się, że samo zjawisko nie jest specyficzną cechą życia. Może zachodzić w różnych rozpuszczalnikach i dotyczyć różnych substancji rozpuszczonych.

Ciśnienie osmotyczne - różnica ciśnień wywieranych na półprzepuszczalną membranę przez dwie ciecze, które ta membrana rozdziela. Przyczyną pojawienia się ciśnienia osmotycznego jest różnica stężeń związków chemicznych lub jonów w roztworach po obu stronach membrany i dążenie układu do ich wyrównania.

Kontaktujące się roztwory mają termodynamiczną tendencję do wyrównywania stężeń (np. przez dyfuzję cząsteczek rozpuszczonych związków). W przypadku membrany, która przepuszcza małe cząsteczki rozpuszczalnika a nie przepuszcza jonów ani większych cząsteczek, jedynym sposobem wyrównania stężenia roztworów jest przepływ przez membranę rozpuszczalnika. W najprostszym przypadku, dla roztworów silnie rozcieńczonych, ciśnienie osmotyczne na granicy roztworów "1" i "2" można wyrazić wzorem:

gdzie:

• π₁₂ - ciśnienie osmotyczne,

• R - stała gazowa,

• T - temperatura (w skali Kelwina),

• [X]₁, [X]₂ - stężenie molowe związku chemicznego lub jonów, które mogą przepływać przez membranę.

Warto zwrócić uwagę, że:

• wzór ten ma sens fizyczny tylko wtedy gdy [X]₁ > [X]₂ - gdyż ciśnienie osmotyczne jest różnicą rzeczywistych ciśnień wywieranych przez oba roztwory, stąd "działa" ono od strony bardziej stężonego roztworu. W przypadku gdy przez membranę może przepływać tylko rozpuszczalnik, wzór ten trzeba "odwrócić" lub ewentualnie wpisać do niego stężenie rozpuszczalnika, a nie stężenie rozpuszczonej substancji.

• gdy przez membranę przepływa kilka różnych związków chemicznych, każdy z nich generuje niezależnie od siebie cząstkowe ciśnienie osmotyczne, sumaryczne ciśnienie wywierane na membranę jest wypadkową ciśnień cząstkowych.

Pomiar ciśnienia osmotycznego możliwy jest np. poprzez pomiar ciśnienia wymaganego do zatrzymania przepływu rozpuszczalnika przez membranę. Dalsze zwiększanie przyłożonego ciśnienia prowadzi do zaistnienia procesu odwróconej osmozy, czyli przepływu cząsteczek rozpuszczalnika od roztworu o wysokim stężeniu do roztworu o niższym stężeniu.

Równanie van 't Hoffa [edytuj]

Dla roztworu o stężeniu [X] w kontakcie poprzez membranę z czystym rozpuszczalnikiem, ciśnienie osmotyczne definiowane jest przez równanie van 't Hoffa:

π = [X]RT

Przykład: dla roztworu soli o stężeniu [X] = 10^-2 mol/dm³ w temperaturze 300 K otrzymamy ciśnienie osmotyczne rzędu 250hPa (0,25 atm) co odpowiada ciśnieniu słupa wody o wysokości 2,5 m.

Równanie van 't Hoffa jest słuszne dla bardzo rozcieńczonych roztworów zbliżonych do roztworu idealnego. Dla roztworów bardziej stężonych, gdzie istotne stają się oddziaływania pomiędzy cząsteczkami X, przyjmuje się, że równanie van 't Hoffa jest jedynie pierwszym członem rozwinięcia (analogicznie do rozwinięcia stosowanego w wirialnym równaniu stanu gazu):

gdzie:

• B - osmotyczny współczynnik wirialny.

Na podstawie ciśnienia osmotycznego, a właściwie zależności ciśnienia osmotycznego π od stężenia c[g/dm³] możliwe jest obliczenie masy cząsteczkowej związków chemicznych.

Równanie van 't Hoffa jest granicznym przypadkiem bardziej ogólnego równania słusznego dla roztworu oraz czystego rozpuszczalnika, przy założeniu, że para rozpuszczalnika nad roztworem i nad czystym rozpuszczalnikiem zachowuje się jak gaz doskonały:

gdzie:

• p_r - ciśnienie pary rozpuszczalnika nad roztworem X,

• p_o - ciśnienie pary nasyconej nad czystym rozpuszczalnikiem.

• Zgodnie z prawem Raoulta dla roztworu doskonałego: (p_r/p_o) = x_rozp - ułamek molowy rozpuszczalnika w roztworze X. Dla roztworu rzeczywistego, zamiast ułamka molowego należy użyć aktywności rozpuszczalnika a_rozp w tym roztworze, skąd:

Jeżeli roztwór substancji X jest idealny i rozcieńczony, wówczas wykorzystując fakt, że ułamek molowy rozpuszczalnika x_rozp = 1 - x_x, gdzie x_x jest bardzo małe, otrzymuje się:

skąd można wyprowadzić równanie van 't Hoffa.

Turgor – stan wysycenia komórek i tkanek roślinnych wodą, umożliwiający utrzymanie kształtu i określonej pozycji przez roślinę lub niektóre jej organy, nie posiadające dobrze wykształconej podtrzymującej tkanki mechanicznej.

Turgor zależy od ciśnienia turgorowego — ciśnienia wywieranego przez protoplast na ścianę komórkową. Ciśnienie turgorowe zależy od potencjału osmotycznego soku wakuolarnego oraz od własności fizykochemicznych ściany komórkowej.

Układ koloidalny (koloid, układ koloidowy, roztwór koloidalny) – niejednorodna mieszanina, zwykle dwufazowa, tworząca układ dwóch substancji, w którym jedna z substancji jest rozproszona w drugiej. Rozdrobnienie (czyli dyspersja) substancji rozproszonej jest tak duże, że fizycznie mieszanina sprawia wrażenie substancji jednorodnej, jednak nie jest to wymieszanie na poziomie pojedynczych cząsteczek.

Właściwości [edytuj]

W koloidach stopień dyspersji wynosi od 10⁵ do 10⁷ cm^-1 – wówczas wielkość cząstek fazy rozproszonej (zdyspergowanej) sprawia, że ważne są zarówno oddziaływania pomiędzy nią i fazą dyspergującą, jak i oddziaływania wewnątrz obu faz. Według IUPAC układ dyspersyjny jest układem koloidalnym, gdy rozmiary cząstek fazy rozproszonej (cząsteczek chemicznych lub ich agregatów) albo rozmiary nieciągłości układu koloidalnego są w zakresie od 1 nm do 1 µm przynajmniej w jednym kierunku.

Typowy układ koloidalny (tzw. koloid fazowy) składa się z dwóch faz:

• fazy ciągłej, czyli substancji rozpraszającej, zwanej też ośrodkiem dyspersyjnym albo dyspergującym,

• fazy rozproszonej, czyli substancji zawieszonej (zdyspergowanej) w ośrodku dyspersyjnym i w nim nierozpuszczalnej. (liofobowej, hydrofobowej).

Inny rodzaj koloidów to koloidy cząsteczkowe, gdzie fazą rozproszoną są makrocząsteczki, np. polimery (np. żelatyna, skrobia, białka) – nie występuje wówczas wyraźna granica fazowa, bo cząsteczki rozpuszczalnika mogą wnikać do wewnątrz makrocząsteczki – większość koloidów cząsteczkowych powstaje w sposób samorzutny w wyniku rozpuszczania w rozpuszczalniku (koloidy liofilowe, hydrofilowe). Niektóre ich właściwości są inne niż właściwości koloidów fazowych.

Rodzaje układów koloidalnych [edytuj]

Wyróżnia się następujące rodzaje układów koloidalnych:

Ośrodek rozpraszający	Substancja rozpraszana	Rodzaj	Przykład
Gaz	Gaz	Gaz	Powietrze - jeden gaz w innych gazach
	Ciecz	aerozol ciekły	mgła
	Ciało stałe	aerozol stały	dym
Ciecz	Gaz	piana	piana mydlana
	Ciecz	emulsja	lakier do paznokci, mleko, majonez
	Ciało stałe	zol, zawiesina koloidalna (suspensja), roztwór koloidalny	Ag kol w H2O
Ciało stałe	Gaz	piana stała	pumeks, styropian
	Ciecz	emulsja stała	opal
	Ciało stałe	zol stały (pirozol)	szkło rubinowe

Ciało stałe i ciecz przenikające się wzajemnie to żel.

Nie występują układy koloidalne, w których gaz rozproszony jest w gazie (gazy tworzą wyłącznie roztwory rzeczywiste). Ponadto większość układów koloidalnych nazywana jest zolami, przy czym pojęcie zolu jest niejednoznaczne. Podobnie niejednoznaczne jest pojęcie aerozolu.

Układy koloidalne z fazą ciągłą w postaci gazu to gazozole, natomiast z fazą ciągłą w postaci cieczy to liozole.

Micele to cząstki występujące w trwałych emulsjach. Tworzą je związki chemiczne o własnościach amfifilowych. Micele są kulistymi tworami zawierającymi od kilkudziesięciu do kilkuset cząsteczek.

Cząsteczki amfililowe posiadają zwykle wydłużony kształt, przy czym jeden ich koniec ma własności polarne a drugi apolarne. W rozpuszczalnikach polarnych, polarny koniec każdej cząsteczki "poszukuje" polarnego środowiska, na skutek czego samorzutnie ustawia się na zewnątrz miceli. Drugi, apolarny koniec "chowa" się we wnętrzu miceli na skutek czego ma kontakt z apolarnymi końcami innych cząsteczek i jest jednocześnie odseparowany od rozpuszczalnika. W przypadku gdy emulsja tworzy się w rozpuszczalniku apolarnym struktura miceli jest dokładnie odwrotna - polarne końce cząsteczek znajdują się w jej wnętrzu, zaś apolarne na zewnątrz.

Na granicy micel i rozpuszczalnika zachodzi zjawisko solwatacji, co powoduje, że micela składa się z kłębka cząsteczek substancji rozpuszczonej i cienkiej otoczki cząsteczek rozpuszczalnika na stałe związanej z micelą.

Efekt Tyndalla to zjawisko fizyczne polegające na rozpraszaniu światła przez koloid z wytworzeniem charakterystycznego stożka świetlnego nazwanego efektem (zjawiskiem) Tyndalla (Nefelometria).

Jeżeli przez roztwór koloidalny przepuści się wiązkę światła, to wskutek uginania się promieni na cząstkach fazy rozproszonej, światło staje się widoczne w postaci tzw. stożka Tyndalla. Intensywność tego zjawiska jest tym większa, im większa jest różnica między współczynnikiem załamania fazy rozproszonej i ośrodka dyspersyjnego.

Zjawisko to zostało opisane w 1893 roku przez irlandzkiego XIX-wiecznego badacza Johna Tyndalla. Efekt Tyndalla został wykorzystany w konstrukcji ultramikroskopu, który ma duże zastosowanie w różnorodnych badaniach koloidów, np. liczenie cząsteczek, obserwacja ruchów Browna, pomiar szybkości koagulacji i inne. Kształty geometryczne cząstek fazy rozproszonej o wymiarach odpowiadających rozdrobnieniom koloidalnym można obserwować jedynie w mikroskopie elektronowym.

Bufory - roztwory, których wartość pH po dodaniu niewielkich ilości mocnych kwasów albo zasad, jak i po rozcieńczeniu wodą prawie się nie zmienia. Roztwór buforowy to mieszanina kwasu i zasady czyli mieszanina protonodawcy i protonobiorcy według teorii Bronsteda.

Pojemność buforowa [edytuj]

Naturalnie, cały układ buforujący nie jest skuteczny w nieskończoność. Każdy bufor posiada swoją pojemność, zwaną pojemnością buforową β, która jest warunkowana stałą równowagi głównej reakcji buforowej, oraz stężeniem czynnika słabo dysocjującego. Na przykład jeśli do roztworu bufora złożonego ze słabego kwasu i jego soli, dodamy tyle silnej zasady, że spowoduje ona całkowitą dysocjację słabego kwasu (HA), w reakcji (2) to dalsze dodawanie tej zasady spowoduje już taką zmianę pH jaka by następowała bez obecności bufora. Pojemność buforowa zależy od ogólnego stężenia kwasu i jego soli. Maksymalna pojemność wzrasta wraz z ogólnym stężeniem i nie zależy od mocy kwasu. <źródło: Andrzej Cygański "Chemiczne metody analizy ilościowej">

Definicja [edytuj]

Pojemność buforowa zdefiniowana jest jako:

gdzie:

• Δn - ilość moli dodanego mocnego kwasu lub zasady (w praktyce podaje się dla 1 dm³ bufora, (Δn/V))

• ΔpH - zmiana pH wywołana dodaniem tej ilości kwasu lub zasady

Pojemność buforowa (jej wartość jest zależna od pH) określa więc wrażliwość określonej ilości roztworu na dodawanie mocnego kwasu lub zasady, np. zmiana pH o 0,01 w wyniku dodania 0,006 mola kwasu lub zasady oznacza β=0,6 mol.

Wzór van Slyke'a [edytuj]

Wzór van Slyke'a pozwala obliczyć pojemność buforową β jako funkcję pH roztworu, dla układu typu: HA + A^- (łącznie z obszarem nadmiaru mocnego kwasu lub nadmiaru mocnej zasady):

gdzie:

• C = [HA] + [A ⁻ ] - łączne stężenie słabego kwasu i jego soli

• K_a - stała dysocjacji kwasu HA

• 

Największa pojemność buforowa pojawia się w obszarze buforowym dla pH = pK_a oraz dla dużych nadmiarów mocnego kwasu lub zasady (daleko poza obszarem buforowym).

Uproszczony wzór van Slyke'a pozwala obliczyć pojemność buforową β jako funkcję pH roztworu, dla układu typu: HA + A^- (tylko w obszarze bufora w pobliżu pK_a, bez obszaru nadmiaru mocnego kwasu lub nadmiaru mocnej zasady):

Zastosowania i rodzaje buforów [edytuj]

Roztwory buforowe służą do utrzymania stosunkowo stałego odczynu roztworów. Stosuje się je do wielu przemysłowych procesów, wymagających utrzymywania w miarę stałego pH - np. przy produkcji barwników, leków syntetycznych oraz w procesach fermentacyjnych, a także w poligrafii, przy druku w technice offsetowej. Wiele buforów jest też stosowanych do kontrolowania pH gotowych produktów spożywczych, kosmetyków i leków. Niektóre bufory (np. boranowy) są same stosowane jako substancje lecznicze - np. do przemywania poparzonej skóry lub oczu.

Do najważniejszych buforów należą:

• bufor octanowy: CH₃COOH, CH₃COONa w zakresie pH = 3,5 - 6

• bufor amonowy: NH₃* H₂O, NH₄Cl w zakresie pH = 8 - 11

• bufor fosforanowy: KH₂PO₄, K₂HPO₄ w zakresie pH = 5,5 - 8

• bufor boranowy: H₃BO₃, Na₂B₄O₇ w zakresie pH = 7 - 9

Bufory utrzymują ściśle określone pH ustroju wszystkich organizmów, którego zachwianie może spowodować śmierć organizmu. Bufory krwi człowieka utrzymują pH w granicach: 7.35-7.45.

W organizmach ludzkich znaczącą rolę pełnią bufory:

• białczanowy

• hemoglobinowy

• wodorowęglanowy

• Flotacja - metoda rozdziału rozdrobnionych substancji stałych, w której kryterium rozdziału jest różnica w zwilżalności ciała stałego przez ciecz.

• W praktyce przemysłowej ciałem stałym najczęściej jest kopalina, a cieczą woda. Rozdrobniony materiał wsypuje się do zbiornika flotacyjnego zasilanego od spodu strumieniem powietrza. Cząstki trudno zwilżalne otaczają się w większym stopniu pęcherzykami powietrza niż łatwo zwilżalne, dzięki czemu unoszą się na powierzchnię, skąd są zbierane w postaci szlamu. W większości przypadków używane są również dodatki, mając na celu polepszeniu efektywność flotacji. Powszechnie stosowane są spieniaiacze, zbieracze, regulatory pH. Produktem flotacji jest koncentrat. W Polsce wybogacane są przez flotację rudy miedzi wydobywane w kopalniach KGHM-u. Odpady tego procesu są przechowywane w zbiorniku w Rudnej, a koncentrat przerabiany w hutach miedzi "Głogów" i "Legnica". Flotacja jest również stosowana w recyclingu papieru.