1

ADSORPCJA PARACETAMOLU NA WĘGLU AKTYWNYM

CEL ĆWICZENIA

Celem ćwiczenia jest analiza procesu adsorpcji paracetamolu na węglu aktywnym. Zadanie

praktyczne polega na spektrofotometrycznym oznaczeniu stężenia paracetamolu w roztworze przed i po

procesie adsorpcji na węglu aktywnym. Uzyskane wyniki pozwolą na sprawdzenie czy adsorpcja

paracetamolu na węglu aktywnym może być opisana przez równanie izotermy Freundlicha.

ZAGADNIENIA DO PRZYGOTOWANIA

Zjawiska adsorpcji na powierzchni ciała stałego, adsorpcja fizyczna i chemiczna, izotermy adsorpcji

(Langmuira, Freundlicha, BET), zjawisko histerezy, adsorbenty.

WPROWADZENIE

Przyleganie cząsteczek do powierzchni ciała stałego (gromadzenie się cząsteczek w fazie

powierzchniowej) nosi nazwę adsorpcji. Substancję, która ulega adsorpcji, nazywamy adsorbatem,

natomiast substancję (podłoże), na powierzchni której ten proces zachodzi – adsorbentem. Procesem

odwrotnym do adsorpcji jest desorpcja. Adsorpcja substancji na powierzchni ciała stałego może zachodzić z

fazy ciekłej (z roztworu), jak i z fazy gazowej.

W zależności od charakteru odziaływań występujących pomiędzy cząsteczkami adsorbatu

i adsorbentu, wyróżnia się: adsorpcję chemiczną (chemisorpcję) oraz adsorpcję fizyczną (fizysorpcję).

Istnieje kilka różnic pomiędzy chemisorpcją i fizysorpcją:

•

W procesie adsorpcji fizycznej pomiędzy adsorbentem i adsorbatem istnieją słabe (ale o dalekim zasięgu)

oddziaływania van der Waalsa lub wiązania wodorowe, natomiast w przypadku adsorpcji chemicznej

cząsteczki adsorbatu są związane na powierzchni adsorbentu wiązaniami chemicznymi

•

Efekt energetyczny towarzyszący adsorpcji fizycznej jest znacznie niższy niż w przypadku adsorpcji

chemicznej

•

Wraz ze wzrostem temperatury adsorpcja fizyczna maleje (zwiększa się desorpcja); z drugiej strony,

wzrost temperatury powoduje zwiększenie adsorpcji chemicznej

•

Adsorpcja fizyczna jest procesem odwracalnym (wzrost temperatury powoduje zwiększenie desorpcji); o

adsorpcji chemicznej mówi się, że jest zazwyczaj nieodwracalna (aby zerwać utworzone wiązania

chemiczne trzeba by użyć drastycznych środków)

•

W procesie chemisorpcji, ze względu na tworzące się wiązania chemiczne, na powierzchni adsorbentu

może powstać tylko warstwa monomolekularna adsorbatu; w przypadku zjawiska fizysorpcji zazwyczaj

powstaje kilka warstw adsorbatu na adsorbencie (rzadko warstwa monomolekularna).

Matematyczny opis stanu równowagi adsorpcyjnej (stanu równowagi w układzie adsorbent – adsorbat)

wymaga znajomości trzech parametrów: temperatury, ilości substancji zaadsorbowanej oraz stężenia

adsorbatu w fazie ciekłej (w układzie ciało stałe – ciecz) lub ciśnienia gazu (w układzie ciało stałe – gaz).

Związek pomiędzy ilością zaadsorbowanej na powierzchni ciała stałego substancji a jej stężeniem w ściśle

określonej (stałej) temperaturze opisany jest przez tzw. izotermy adsorpcji. Są to równania wyprowadzone

teoretycznie, na podstawie przyjętego modelu adsorpcji, lub empirycznie, na podstawie danych

doświadczalnych.

2

Izoterma Langmuira

Langmuir przedstawił najprostszy model adsorpcji, opisujący proces adsorpcji monomolekularnej, który

opiera się na trzech założeniach:

•

Adsorpcja nie może przekroczyć monowarstwowego pokrycia;

•

Powierzchnia adsorbentu posiada określoną liczbę równocennych miejsc aktywnych, tzw. centrów

aktywnych;

•

W jednym centrum aktywnym może się przyłączyć tylko jedna cząsteczka adsorbatu, a pomiędzy

przyłączonymi cząsteczkami nie ma oddziaływań.

Równanie Langmuira ma postać:

(1)

gdzie:

a

- ilość substancji (wyrażona w molach lub gramach) zaadsorbowana na jednostkowej masie
adsorbentu

a

m

- ilość substancji zaadsorbowana na jednostkowej masie adsorbentu, gdy wszystkie centra
adsorpcji są zajęte (czyli w nasyconej monomolekularnej warstwie)

K

- stała będąca ilorazem stałej szybkości adsorpcji i stałej szybkości desorpcji

p

- ciśnienie gazu

Wykres izotermy Langmuira przedstawia zależność pomiędzy ilością zaadsorbowanej substancji a jej

stężeniem:

Ryc. 1 Izoterma adsorpcji Langmuira.

W początkowym odcinku wykresu (w zakresie

małych ciśnień) widać wprost proporcjonalny

wzrost adsorpcji wraz ze wzrostem ciśnienia.

W miarę zaś wzrostu ciśnienia adsorbatu

następuje

wysycenie

dostępnych

centrów

aktywnych. Wtedy, pomimo dalszego wzrostu

ciśnienia nie zmienia się już wielkość adsorpcji,

ponieważ cała powierzchnia adsorbentu jest

zajęta (a zgodnie z założeniem modelu adsorpcja

nie

może

przekroczyć

monowarstwowego

pokrycia).

Wartości stałej K oraz a

m

można w łatwy sposób wyznaczyć przekształcając równanie izotermy Langmuira do

postaci liniowej przez odwrócenie równania.

∙

(2)

Z równania wynika, że im niższe nachylenie prostej, tym substancja w większym stopniu adsorbuje (większa

wartość a

m

).

3

Ryc. 2 Postać liniowa izotermy Langmuira.

Izoterma Freundlicha

Jest to empirycznie wyprowadzone równanie, które może opisywać proces adsorpcji wielowarstwowej.

Równanie to ma postać:

∙

(3)

gdzie:

a

- ilość substancji (wyrażona w molach lub gramach) zaadsorbowana na jednostkowej masie
adsorbenta

c

- stężenie substancji

k

- stała, jest to wielkość adsorpcji, gdy stężenie substancji wynosi 1 mol/l; jest tym większa, im
większa jest pojemność adsorbentu

n

- stała, wartość jest miarą oddziaływań pomiędzy cząsteczkami adsorbatu

Izoterma Freundlicha, odmiennie od izotermy Langmuira, ma w całym zakresie stężeń przebieg

krzywoliniowy (nie ma ograniczenia, że możliwa jest tylko adsorpcja jednowarstwowa):

Ryc. 3 Izoterma adsorpcji Freundlicha.

Wyznaczenie stałych k i n z równania izotermy Freundlicha jest możliwe po przekształceniu równania (3) do

postaci liniowej przez obustronne zlogarytmowanie.

(4)

4

Stałą n wyznacza się ze współczynnika kierunkowego, natomiast stałą k – z punktu przecięcia prostej z osią

OY.

Ryc. 4 Liniowa postać izotermy Freundlicha.

Izoterma BET

Najczęściej spotykaną w praktyce izotermą opisującą proces adsorpcji wielowarstwowej jest izoterma BET,

wyprowadzona przez Stephena Brunauera, Paula Emmeta i Edwarda Tellera:

∙

(5)

gdzie:

ϴ

- ułamek pokrycia powierzchni adsorbentu przez adsorbat

C

- stała, proporcjonalna do różnicy pomiędzy ciepłem adsorpcji w pierwszej monomolekularnej
warstwie i ciepłem skroplenia

Z

- stosunek wartości ciśnienia adsorbatu (p), przy którym określona masa adsorbuje się na 1 g
adsorbentu do ciśnienia pary nasyconej adsorbatu (p

o

)

Ryc. 5 Izoterma BET.

Izoterma BET jest często stosowana w przemyśle do wyznaczania powierzchni ciał stałych.

5

Zjawisko adsorpcji jest szeroko wykorzystywane w praktyce laboratoryjnej oraz w przemyśle. Jest to

podstawa procesów oczyszczania, rozdzielania, analizowania i wyodrębniania związków występujących

w mieszaninach. Ponadto, odgrywa zasadniczą rolę w chromatografii adsorpcyjnej. Także w lecznictwie

wykorzystano zdolności adsorpcyjne niektórych związków, stosowanych między innymi w pierwszej pomocy

przy zatruciach (węgiel medyczny) oraz w leczeniu biegunek (węgiel medyczny, diosmektyt). Zjawisko

adsorpcji może być także przyczyną interakcji pomiędzy stosowanymi lekami, co z kolei powoduje obniżenie

skuteczności farmakoterapii.

LITERATURA

1.

Hermann T.W.: Farmacja fizyczna. Wydawnictwo Lekarskie PZWL, Warszawa 1999.

2.

Hermann T.W.: Chemia fizyczna. Wydawnictwo Lekarskie PZWL, Warszawa 2007.

3.

Pigoń K., Ruziewicz Z., Chemia fizyczna. Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2005.

4.

Atkins P.W., Chemia fizyczna. Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2001.

6

APARATURA I ODCZYNNIKI

•

spektrofotometr UV-Vis

•

termowytrząsarka (Thermo-shaker)

•

zestaw pipet

•

wodny roztwór HCl o stężeniu 0,1 mol/l

•

roztwór podstawowy paracetamolu w 0,1 mol/l HCl o stężeniu 12,5 mg/ml

•

roztwory wzorcowe paracetamolu w 0,1 mol/l HCl o stężeniach 12,5 µg/ml; 10,0 µg/ml; 7,5 µg/ml;
5,0 µg/ml; 2,5 µg/ml; 1,25 µg/ml

•

węgiel aktywny

WYKONANIE

Zadanie praktyczne polega na spektrofotometrycznym oznaczeniu stężenia paracetamolu w roztworze przed

i po procesie adsorpcji (po 45-minutowej inkubacji roztworu leku z węglem aktywnym).

1.

W plastikowych probówkach z korkiem przygotować serię 6 próbek zawierających:

próbka

Masa węgla

aktywnego [mg]

Objętość [ml] roztworu

paracetamolu o stęż. 12,5 mg/ml

Objętość 0,1 mol/l HCl

[ml]

1

100

8,0

----

2

100

6,0

2,0

3

100

4,0

4,0

4

100

2,7

5,3

5

100

0,8

7,2

zerowa

100

------

8,0

2.

Probówki szczelnie zamknąć, starannie wymieszać i umieścić w termowytrząsarce. Inkubować próbki

przez 45 minut w temperaturze 37˚C. Szybkość wytrząsania próbek ustalić na 700 cykli/min.

3.

W trakcie inkubacji próbek z węglem aktywnym przygotować krzywą wzorcową zależności absorbancji

od stężenia paracetamolu w roztworze. W tym celu:

a.

Zmierzyć absorbancję roztworów wzorcowych paracetamolu przy λ

max

= 243 nm. Jako próby

odniesienia (do kalibracji spektrofotometru) użyć 0,1 mol/l roztworu HCl.

b.

Sporządzić wykres krzywej wzorcowej A = f(C

wz

) oraz wyznaczyć równanie prostej (skonsultować

z asystentem istotność współczynnika b).

4.

Po upływie wymaganego czasu na inkubację próbki wyjąć z termowytrząsarki i odwirować przez

10 minut przy szybkości 3500 obrotów/min.

7

5.

Analiza supernatantu.

W kolbach miarowych o pojemności 50 ml przygotować odpowiednie rozcieńczenia roztworów

paracetamolu po adsorpcji z próbek 1 - 4. W tym celu odmierzyć (odpipetować) następujące objętości

supernatantu:

Próbka 1 (rozcieńczenie 1000x) –

0,05 ml (50 µl)

Próbka 2 (rozc. 1000x)

–

0,05 ml (50 µl)

Próbka 3 (rozc. 1000x)

–

0,05 ml (50 µl)

Próbka 4 (rozc. 100x)

–

0,50 ml (500 µl),

a następnie uzupełnić do 50 ml 0,1 mol/l roztworem HCl.

6.

Zmierzyć absorbancję otrzymanych rozcieńczeń przy λ

max

= 243 nm. Absorbancję próbki nr 5 zmierzyć

przenosząc bezpośrednio do kuwety ok. 3 ml supernatantu (bez rozcieńczania). Aparat wykalibrować

używając supernatantu z próbki zerowej (próbki nie zawierającej paracetamolu).

Przy pipetowaniu supernatantu zwrócić uwagę, aby nie wstrząsać próbką, by pobrany roztwór był
klarowny i nie zawierał cząstek węgla aktywnego. W przypadku zauważenia zanieczyszczenia
w pobranym supernatancie próbkę ponownie odwirować i odpipetować czysty supernatant.

7.

Korzystając z równania krzywej wzorcowej wyznaczyć stężenia paracetamolu w badanych próbkach po

inkubacji z węglem (w obliczeniach uwzględnić rozcieńczenia):

∙

1000

gdzie:

C

r

– stężenie paracetamolu w stanie równowagi (po inkubacji) [mg/ml]

A – absorbancja

b – punkt przecięcia z równania krzywej wzorcowej

a – współczynnik kierunkowy krzywej wzorcowej

R – rozcieńczenie próbki

8.

Obliczyć ilość paracetamolu (w mg):

a.

Która znajdowała się w próbce przed inkubacją z węglem aktywnym

b.

Która pozostała w roztworze po inkubacji

9.

Obliczyć wielkość adsorpcji a (ile mg paracetamolu adsorbuje się na 1 g węgla aktywnego).

10.

Wykreślić zależność wielkości adsorpcji od stężenia paracetamolu w roztworze (uwzględniamy stężenia

równowagowe – po inkubacji) a = f(C

r

). Przeanalizować przebieg krzywej z asystentem.

11.

Wyznaczyć liniowe równanie izotermy Freundlicha, obliczyć wartości parametrów k i n. Przedyskutować

z asystentem czy równanie izotermy Freundlicha dobrze opisuje proces adsorpcji paracetamolu na węglu

aktywnym.

8

12.

Przeanalizować wielkość adsorpcji paracetamolu na węglu aktywnym w środowisku żołądka (0,1 mol/l

HCl) oraz w temperaturze organizmu ludzkiego. Jakie konsekwencje kliniczne mogą wiązać się

z jednoczesnym przyjęciem paracetamolu i węgla aktywnego? Czy zjawisko adsorpcji paracetamolu na

węglu aktywnym może mieć zastosowanie terapeutyczne?

13.

Przeanalizować zjawisko adsorpcji paracetamolu na węglu aktywnym zachodzące w temperaturze

wyższej lub niższej niż 37˚C (na podstawie wyników podanych przez asystenta). Jakiego typu (fizyczna czy

chemiczna) jest adsorpcja paracetamolu na węglu aktywnym?

9

WZÓR PROTOKOŁU

Adsorpcja paracetamolu na węglu aktywnym

Cel ćwiczenia: ………………………………………………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………………………………………………………………

1.

Krzywa wzorcowa zależności absorbancji roztworu od stężenia paracetamolu w próbce.

Nr próbki

Stężenie paracetamolu

C

wz

[µg/ml]

Absorbancja

(λ

max

= 243 nm)

1

12,5

2

10,0

3

7,5

4

5,0

5

2,5

6

1,25

Krzywa wzorcowa zależności A = f(c

wz

)

Współczynnik kierunkowy

a

Punkt przecięcia z osią OY

b

Błąd punktu przecięcia

S

b

Czy współczynnik b jest istotny?

TAK / NIE

Współczynnik korelacji

r

Ostateczne równanie krzywej wzorcowej A = f(c

wz

) (z uwzględnieniem istotności współczynnika b):

………………………………………………………………………………

2.

Obliczenie początkowej ilości paracetamolu w próbkach poddanych inkubacji z węglem aktywnym.

Nr próbki

Stężenie paracetamolu w próbce

C

p

[mg/ml]

Ilość paracetamolu w próbce

X

p

[mg]

1

2

3

4

5

10

Czas inkubacji: ……………………………………………………..

Temperatura inkubacji: …………………………………………….

Szybkość wytrząsania: ………………………………………………

3.

Obliczenie stężenia paracetamolu w próbkach w stanie równowagi adsorpcyjnej (po inkubacji).

Nr próbki

Absorbancja

(λ

max

=243 nm)

rozcieńczenie

Stężenie paracetamolu w stanie równowagi

C

r

[mg/ml]

1

1000

2

1000

3

1000

4

100

5

---

4.

Obliczenie ilości paracetamolu zaadsorbowanego na węglu aktywnym.

Nr

próbki

Masa węgla

aktywnego

Początkowa ilość

paracetamolu

w próbce X

p

Ilość paracetamolu

w próbce w stanie

równowagi X

r

Ilość paracetamolu

zaadsorbowana na

100 mg węgla

aktywnego X

a

= X

p

- X

r

a

[mg]

[mg]

[mg]

[mg]

[mg/1g węgla]

1

100

2

100

3

100

4

100

5

100

5.

Równanie izotermy Freundlicha (adsorpcja w temp. 37˚C):

Nr próbki

C

r

[mg/ml]

log

C

r

a

[mg/1g węgla]

log

a

1

2

3

4

5

11

Równanie liniowe izotermy Freundlicha: ……………………………………………………………………

Wartość stałej

k

: ………………………………………………………….

Wartość stałej

n

: …………………………………………………………..

6.

Równanie izotermy Freundlicha (adsorpcja w temp. 70˚C):

Nr próbki

C

70

[mg/ml]

Log

c

70

a

70

[mg/1g węgla]

Log

a

70

1

2

3

4

5

Równanie liniowe izotermy Freundlicha: ……………………………………………………………………

Wartość stałej

k

70

: ………………………………………………………….

Wartość stałej

n

70

: …………………………………………………………..

7.

Załączniki:

•

Wykres krzywej wzorcowej A = f(C

wz

)

•

Wykres izotermy Freundlicha a = f(C

r

)

•

Wykres liniowej postaci izotermy Freundlicha loga = f(logC

r

)

8.

Wnioski: