Elektrické jevy na membránách

Podobné dokumenty
Elektrické jevy na membránách

Rozpustnost Rozpustnost neelektrolytů

Rovnováha kapalina{pára u binárních systémù

Opakování: Standardní stav þ ÿ

Viriálová stavová rovnice 1 + s.1

Elektrochemie. Pøedmìt elektrochemie: disociace (roztoky elektrolytù, taveniny solí) vodivost jevy na rozhraní s/l (elektrolýza, èlánky)

12. Elektrochemie základní pojmy

Chemické výpočty I. Vladimíra Kvasnicová

Chemické výpočty I (koncentrace, ředění)

Lehký úvod do elektrostatiky { vakuum ( ε = ε 0 )

Klasická termodynamika (aneb pøehled FCH I)

Jana Fauknerová Matějčková

Fázová rozhraní a mezifázová energie

Pro zředěné roztoky za konstantní teploty T je osmotický tlak úměrný molární koncentraci

Stanislav Labík. Ústav fyzikální chemie V CHT Praha budova A, 3. patro u zadního vchodu, místnost

Transportní jevy. J = konst F

PŘEVODY JEDNOTEK. jednotky " 1. základní

Termochemie { práce. Práce: W = s F nebo W = F ds. Objemová práce (p vn = vnìj¹í tlak): W = p vn dv. Vratný dìj: p = p vn (ze stavové rovnice) W =

Roztok. Homogenní směs molekul, které mohou být v pevném, kapalném nebo plynném stavu. Pravé roztoky

Úvodní info. Studium

Roztok. Homogenní směs molekul, které mohou být v pevném, kapalném nebo plynném stavu. Pravé roztoky

OSMOMETRIE. Jana Gottwaldová FN Brno

AGENDA. převody jednotek koncentrace ředení osmolarita, osmotický tlak


Transportní jevy. F = gradient jistého potenciálu

Roztok. Homogenní směs molekul, které mohou být v pevném, kapalném nebo plynném stavu

Fázová rozhraní a mezifázová energie

Elementární reakce. stechiometrický zápis vystihuje mechanismus (Cl. + H 2 HCl + H. ) 2 NO 2 ; radioak-

Biofyzikální chemie interakce bílkovin s ligandy, koloidy v biochemii, rovnováha na membránách. Zita Purkrtová březen duben 2012

2 Roztoky elektrolytů. Osmotický tlak

Roztoky - druhy roztoků

Ilya Prigogine * 1917

Membránové potenciály

Kapaliny Molekulové vdw síly, vodíkové můstky

Oxidace a redukce. Hoření = slučování s kyslíkem = oxidace. 2 Mg + O 2 2 MgO S + O 2 SO 2. Redukce = odebrání kyslíku

2.4 Stavové chování směsí plynů Ideální směs Ideální směs reálných plynů Stavové rovnice pro plynné směsi

DOPLŇKOVÝ STUDIJNÍ MATERIÁL CHEMICKÉ VÝPOČTY. Zuzana Špalková. Věra Vyskočilová

E ŘEŠENÍ KONTROLNÍHO TESTU ŠKOLNÍHO KOLA

Kapaliny Molekulové vdw síly, vodíkové můstky

Kapaliny Molekulové vdw síly, vodíkové můstky

ANODA KATODA elektrolyt:

I. tøídy { vodivost zpùsobena pohybem elektronù uvnitø møí¾ky (kovy, grat, polovodièe)

ZÁKLADNÍ CHEMICKÉ POJMY A ZÁKONY

Soli. ph roztoků solí - hydrolýza

Acidobazické děje - maturitní otázka z chemie

TERMODYNAMICKÁ ROVNOVÁHA, PASIVNÍ A AKTIVNÍ TRANSPORT

VÝUKOVÝ MODUL MEMBRÁNOVÝCH PROCESŮ TÉMATA PŘEDNÁŠEK

Výpočty koncentrací. objemová % (objemový zlomek) krvi m. Vsložky. celku. Objemy nejsou aditivní!!!

VÝPO C TY. Tomáš Kuc era & Karel Kotaška

OSMOMETRIE. Jana Gottwaldová FN Brno

Exponenciální rozdìlení

Oxidace a redukce. Objev kyslíku nový prvek, vyvrácení flogistonové teorie. Hoření = slučování s kyslíkem = oxidace. 2 Mg + O 2 2 MgO S + O 2 SO 2

Rozpustnost s. Rozpouštění = opakem krystalizace Veličina udávající hmotnost rozpuštěné látky v daném objemu popř. v hmotnosti nasyceného roztoku.

Př. č. 8 - VLASTNOSTI POPISUJÍCÍ TRASNPORT A AKUMULACI ANORGANICKÝCH SOLÍ VE STRUKTUŘE PORÉZNÍCH STAVEBNÍCH MATERIÁLŮ. - Salt-ponding test dle AASHTO

Směsi, roztoky. Disperzní soustavy, roztoky, koncentrace

Elektrochemie. Předmět elektrochemie: disociace (roztoky elektrolytů, taveniny solí) vodivost. jevy na rozhraní s/l (elektrolýza, články)

CHEMICKÉ VÝPOČTY I. ČÁST LÁTKOVÉ MNOŽSTVÍ. HMOTNOSTI ATOMŮ A MOLEKUL.

Potenciální energie atom{atom

Gymnázium, Milevsko, Masarykova 183 Školní vzdělávací program (ŠVP) pro vyšší stupeň osmiletého studia a čtyřleté studium 4.

Statistická termodynamika (mechanika)

Základní chemické výpočty I

Matematika II Aplikace derivací

Prezentace navazuje na základní znalosti z biochemie (lipidy, proteiny, sacharidy) Dynamický fluidní model membrány 2008/11

Vodní režim rostlin. Úvod Adaptace, aklimace: rostliny vodní, poikilohydrické (řasy, mechy, lišejníky, kapradiny, vyšší rostliny) a homoiohydrické.

PROTOLYTICKÉ ROVNOVÁHY

Přednášky z lékařské biofyziky Masarykova univerzita v Brně - Biofyzikální ústav Lékařské fakulty. Ilya Prigogine Termodynamika a život

Aproximace funkcí. Chceme þvzoreèekÿ. Známe: celý prùbìh funkce

Veličiny- základní N A. Látkové množství je dáno podílem N částic v systému a Avogadrovy konstanty NA

[K kg mol 1 ] T v = K E m 2. T t = K K m 2. 1 p1. 2 v1 M1 H. 2 t1 M1 H 3/ 2 2

Biofyzikální chemie interakce bílkovin s ligandy, koloidy v biochemii, rovnováha na membránách. Zita Purkrtová říjen - prosinec 2015

Adsorpce. molekulární adsorpce: (g) (s), (l) (s)/(l),... iontová adsorpce Paneth{Fajans výmìnná iontová adsorpce, protionty v aluminosilikátech

Teorie kyselin a zásad poznámky 5.A GVN

RNDr. Ivana Fellnerová, Ph.D. Katedra zoologie PřF UP Olomouc 2008/11. *Ivana FELLNEROVÁ, PřF UP Olomouc*

VÝUKOVÝ MODUL MEMBRÁNOVÝCH PROCESŮ SYLABY PŘEDNÁŠEK TRANSPORT LÁTEK MEMBRÁNAMI MEMBRÁNOVÉ MATERIÁLY

Nultá věta termodynamická

VODA FARMACEUTICKOU VÝROBU PRO. VODA PRO FARMACEUTICKÉ ÚČELY Český lékopis 2002 uvádí 3 druhy vody pro farmaceutickou výrobu

1 Základní chemické výpočty. Koncentrace roztoků

Matematika II Lineární diferenciální rovnice

Úvod do biologie rostlin Transport látek TRANSPORT. Krátké, střední, dlouhé vzdálenosti

Gymnázium Vysoké Mýto nám. Vaňorného 163, Vysoké Mýto

Osnova pro předmět Fyzikální chemie II magisterský kurz

Teorie transportu plynů a par polymerními membránami. Doc. Ing. Milan Šípek, CSc. Ústav fyzikální chemie VŠCHT Praha

VI. Disociace a iontové rovnováhy

3. NEROVNOVÁŽNÉ ELEKTRODOVÉ DĚJE

Inovace profesní přípravy budoucích učitelů chemie

Ústřední komise Chemické olympiády. 55. ročník 2018/2019 NÁRODNÍ KOLO. Kategorie E. Řešení teoretické části

Fyzikální chemie. ochrana životního prostředí analytická chemie chemická technologie denní. Platnost: od do

Kapitola 10: Diferenciální rovnice 1/14

Brownovská (stochastická) dynamika, disipativní èásticová dynamika = MD + náhodné síly. i = 1,..., N. r i. U = i<j. u(r ij ) du(r ji ) r ji

Elektrochemický potenciál Standardní vodíková elektroda Oxidačně-redukční potenciály

Termomechanika 9. přednáška Doc. Dr. RNDr. Miroslav Holeček

Elektrolýza. (procesy v elektrolytických článcích) ch) Základní pojmy a představy z elektrolýzy. V rovnováze E = 0 (I = 0)

Roztoky - elektrolyty

Transkript:

Elektrické jevy na membránách Polopropustná (semipermeabilní) membrána; frita, diafragma propou¹tí ionty, vzniká el. napìtí rùzné koncentrace iontù na obou stranách rùzná propustnost/difuzivita pro rùzné ionty rùzný mechanismus: þ ÿ = þ je úmìrnýÿ { iontovì selektivní kanály { póry (propustnost difuzivita) { sorpce+difuze (v polymeru { palivové èlánky) Zajímá nás rovnováha a membránový potenciál v rovnováze: { prochází jen 1 ion { nulový difuzní tok (rovnováha okam¾itì) { nìkteré ionty procházejí, jiné ne { Donnanova rovnováha Zajímá nás membránový potenciál v prùbìhu difuze (nevratný dìj): { tenká membrána (napø. bunìèná): (bio)membránový potenciál (Goldmanùv) { elektrolýza tlustou membránou: kapalinový (difuzní) potenciál (mezi elektrolyty) 1/18 Neplést s osmózou { membrána propou¹tí rozpou¹tìdlo, vzniká rozdíl tlakù (osmotický tlak)

Rozcvièka: prochází jeden ion [jkv -g pic/naon.png] 2/18 HCl o rùzné konc. na obou stranách membrány (sklo, Naon,... ) membrána propou¹tí jen kationty H + Kationty se sna¾í difundovat do místa ni¾¹í koncentrace. Proto¾e anionty nemohou, vznikne membránový potenciál. V rovnováze je rozdíl chemických potenciálù vyrovnán elektrickým potenciálem φ, té¾ se znaèí E, E µ vpravo H + φ = φ vpravo φ vlevo = RT µ vlevo H + + zf φ = 0 zf ln a vpravo H + a vlevo H + RT zf ln c vpravo H + H + < c vpravo φ = φ vpravo φ vlevo Elektrochemický potenciál zahrnuje jednotnì chem. a el. potenciál: ~µ i = µ i + z i Fφ (z i je vèetnì znaménka) V rovnováze stejné elektrochemické potenciály iontù H + vpravo a vlevo. Pozn.: Makroskopické koncentrace H + (HCl) se nemìní (elektroneutralita!), zmìní se jen koncentrace v rámci povrchových (dvoj)vrstev

Donnanovy rovnováhy [mz www/donnan.html] 3/18 vlevo : vpravo NaX : NaCl anion X neprochází membránou NaCl : Spoètu rozdíl elektrochemických potenciálù: ~µ vpravo Na + ~µ vpravo Cl ~µ vlevo Na + = RT ln cvpravo Na + Na + ~µ vlevo Cl = RT ln cvpravo Cl Cl + F φ rovnováha = 0 F φ rovnováha = 0 Rovnice seètu Na + Cl = c vpravo Na + c vpravo Cl Obecnì pro sùl Kν Aν ( ) ν ( ) ν = (c vpravo ) ν (c vpravo ) ν

Donnanovy rovnováhy { membránová hydrolýza 4/18 V levém oddìlení je n = 0.01 mol p-toluensulfonátu sodného (NaTsO) v V vlevo = 100 ml vody, v pravém je èistá voda (V vpravo = 1 L). Membrána nepropou¹tí TsO. Jaké ph je v obou oddìleních v rovnováze pøi 25 C? bilance zaèátek rovnováha [mol] vlevo : vpravo vlevo : vpravo TsO n : n : Na + n : n x : x OH : 0 : x H + : x : 0 φ = RT F = RT F ln = 0.256 V cvpravo ln Na + Na + x/vvpravo (n x)/v vlevo n x V vlevo Na + OH = c vpravo Na + K w x/v vlevo = x V vpravo c vpravo OH x V vpravo Numerické øe¹ení (v mol, dm 3 ; lze zpøesnit iteracemi) x = 3 K w (n x)(v vpravo ) 2 x n 3 1 10 14 0.01 mol = 4.64 10 6 mol ph vlevo = 4.3, ph vpravo = 8.7

Difuze více iontù tlustou membránou, fritou aj. Nevratný dìj, obecnì slo¾ité (parc. dif.), zde zjednodu¹íme na: roztok stejné soli 1:1 na obou stranách membrány, a c vpravo 5/18 membrána je tlustá ( λ) grad c = grad c = const plyne z Poissonovy rovnice d 2 φ/dx 2 = i z ifc i /ε: d 2 φ/dx 2 na dlouhém intervalu je malé c c 0 (neplatí pro víc druhù iontù) opakování: ~µ i = µ i + z i Fφ, j i = c i u i ~µ i, J i = c id i RT ~µ i, u i RT = D i z i F, z < 0 tok kationtù: J = D d dx c D F RT c d dx φ tok aniontù: J = D d dx c + D F RT c d dx φ x c vpravo V ustáleném stavu j = i z ij i = J J = 0, c = c = c (D D ) dc dx = (D + D ) F RT cdφ, separace promìnných c, φ: dx D D D + D ln cvpravo = F RT φ φ = (t t ) RT F ln cvpravo t ± = D ± D + D

Difuze více iontù tlustou membránou, fritou aj. 6/18 Napø.: ztráta napìtí u èlánku s pøevodem na prùlinèité pøepá¾ce (kapalinový = difuzní potenciál) Ag AgCl HCl( ). HCl(c vpravo ) AgCl Ag Pro sùl KA a t = t je φ = 0. Proto je v solných mùstcích roztok s t t (napø. KCl: t = 0.49, t = 0.51) Zobecnìní pro jednu sùl K z ν A z φ = ν : ( t z t z ) RT F ln cvpravo Nepøesné þodvozeníÿ pro uni-univalentní sùl: Proteèe 1 mol nábojù (1F) = (t aniontù ) + (t kationtù ): +t aniontù ( ) :: t aniontù (c vpravo ) t kationtù ( ) :: +t kationtù (c vpravo ) G = t RT ln cvpravo +t RT ln cvpravo? = zf φ φ = (t t ) RT cvpravo ln F Ale G práce pro ireverzibilní proces { sel¾e pro tenkou membránu

Difuze více iontù tenkou membránou + 7/18 Napø. bunìèná (tlou¹»ka d = 4 nm, ε r = 4, tu a tam pór). Pak λ d (v materiálu membrány) elektrické pole je homogenní (φ je lineární funkcí vzdálenosti). proto¾e þv tenké membránì se φ(x) nestaèí zakøivit podle d 2 φ/dx 2 ÿ Po výpoètech (pouze pro univalentní ionty) vyjde tzv. Goldmanova rovnice φ = RT kationty F ln P ic vpravo i + anionty P i i kde P i jsou propustnosti iontù. kationty P i i + anionty P ic vpravo i credit: wikipedia

Porovnání tenké a tlusté membrány 8/18 1:1 elektrolyt c vpravo : = 10 potenciál se ustaví rychle nevratné dìje tenká membrána (L λ) øídícím dìjem je elektrické pole (urèuje lokální koncentraci) tlustá membrána (L λ) øídícím dìjem je difuze (elektrické síly jsou odstínìny) φ / V 0.06 0.04 0.02 0-0.02-0.04-0.06 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 t + Pro t = 1 (procházejí jen kationty) obì rovnice pøejdou na Pro t = 1 2 φ = RT zf ln cvpravo je φ = 0 (symetrie kationty:anionty)

Osmóza 9/18 Membrána propou¹tí rozpou¹tìdlo (pøíp. i malé molekuly). Výsledkem snahy rozpou¹tìdla pøejít do místa s ni¾¹ím chemickým potenciálem je osmotický tlak µ 1 (p A) µ 1 (p A, 1) 1 = rozpou¹tìdlo µ 1 (p A)! = µ 1B (p B, x 1B ) id. = µ 1 (p B) + RT ln x 1B = µ 1 (p B) + RT ln(1 x 2B ) V 1m =const, x 2 1 Π = n 2 nv 1m RT = n 2 V RT = µ 1 (p A) + V 1m (p } B {{ p A } ) RTx 2B V 1m Π = RT n 2 n Π = c 2 RT J. H. van 't Ho, H. N. Morse n 2, c 2 jsou vè. pøíp. disociace

Osmóza 10/18 Osmotický tlak je koligativní vlastnost { závisí na poètu èástic Osmolarita = látkové mno¾ství èástic (neprocházejících membránou) v jednotce objemu Osmolalita = látkové mno¾ství èástic (neprocházejících membránou) na jednotkovou hmotnost rozpou¹tìdla Pøíklad. Jaká je osmolalita roztoku 0.15 mol NaCl v 1 kg vody? To je 0.3 mol iontù v 1 kg vody, osmolalita = 0.3 osmol kg 1 Pøibli¾nì ρ = 1 kg dm 3 osmolarita. = 0.3 osmol dm 3 þpostaru nebo v biologiiÿ 0.15 M NaCl = 0.3 Osm NaCl Osmotický tlak pøesnìji: Π = c 2 RT(1 + Bc 2 + δc 3/2 2 + Cc 2 2 +...) B: druhý osmotický viriálový koecient { interakce dvojic rozpu¹tìncù pro koloidní èástice urèen hlavnì vylouèeným objemem δ: iontové interakce (Debye-Hückel) C: interakce trojic èástic

Osmóza 11/18 extra/intracelulární je izotonický prostor dialýza odsolování moøské vody reverzní osmózou stanovení molární hmotnosti credit: wikipedia Pøíklad. Vypoètìte minimální tlak potøebný k odsolení moøské vody za teploty 300 K reverzní osmózou a minimální energii potøebnou k výrobì 1 m 3 sladké vody. Koncentrace iontù v moøské vodì je 1.12 mol dm 3. 28 bar; 2.8 MJ

Pøíklad 12/18 Osmotický tlak roztoku enzymu ve vodì (25 C) je c w g dm 3 1 2 3 4 5 6 Π Pa 25 54 83 118 152 191 Vypoètìte molární hmotnost molekuly enzymu. Øe¹ení. Po dosazení c 2 = c w /M do Π = c 2 RT(1 + Bc 2 ) dostaneme: Z grafu: RT M Π = RT c w M + RTB M 2 c w Π/c w /(Pa dm 3 g -1 ). = 24 Pa g 1 dm 3 = 24 Pa kg 1 m 3 34 33 32 31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 0 1 2 3 4 5 6 c w /(g dm -3 ) M = 8.314 Pa m3 mol 1 K 1 298 K 24 Pa kg 1 m 3 = 103 kg mol 1 103 kda

Van't Hoùv faktor 13/18 Rovnice Π = c 2 RT se nìkdy zapisuje ve tvaru Π = ic 2 RT kde c 2 je koncentrace pùvodní látky a i je van 't Hoùv faktor, tj. prùmìrný poèet molekul, na který se látka rozpadne (a které neprocházejí membránou), napø. i(glukosa) = 1 i(nacl) = 2 i(ch 3 COOH) = 1 + α (pokud ani jeden ion neprochází membránou).

Sní¾ení tlaku nasycených par nad roztokem 14/18 Raoultùv + Daltonùv zákon p i = py i = x i p s i, p = i p i = i x i p s i Aplikujeme na: látka 1 = rozpou¹tìdlo látka 2 = rozpu¹tìná netìkavá látka (x 2 0 èili n 2 n 1 ) pokud v disociuje, vztahují se n 2 a x 2 k disociované formì! neboli n 2 p 1 = x 1 p s 1 = ps 1 x 2p s 1 p = x 2 p s 1 = ps n 2 n 1 1 p s n 1 + n 1 = p s 2 n 1 = p s 1 m 1 /M 1 m 2M 1 1 Tlak nasycených par za [T] se nad roztokem sní¾í n 2 n 2

Ebulioskopie 15/18 látka 1 = rozpou¹tìdlo látka 2 = rozpu¹tìná netìkavá látka (vè. pøípadné disociace) Zvý¹ení teploty varu roztoku o T kompenzuje p. Clausius{Clapeyron: kde 1 p T p p s 1 p T výph m RT 2 RT 2 var,1 výp H 1,m = K E m 2 K E = RT 2 var,1 M 1 výp H 1,m = ebulioskopická konstanta Teplota varu roztoku je vy¹¹í ne¾ èistého rozpou¹tìdla za stejného tlaku Nebo T = K E im 2 m 2 = molalita pùv. látky i = van't Hoùv faktor Pøíklad. Pøi jaké teplotì vøe za normálního tlaku polévka s 1 hm.% NaCl? K E (voda) = 0.513 K kg mol 1. 100.18 C

Kryoskopie 16/18 Látka se (alespoò omezenì) rozpou¹tí v rozpou¹tìdle, ale v pevné fázi netvoøí s rozpou¹tìdlem tuhý roztok pokles teploty tání. Odvození: (i pro ebulioskopii): 1 = rozpou¹tìdlo, 2 = rozpu¹tìná látka x 1 = 1, T = T tání : µ s 1 (T tání) = µ l 1 (T tání) x 1 < 1, T = T tání + T : µ s 1 (T tání + T) = µ l 1 (T tání + T, x 1 ) n 2 n 1 x 1 1 µ s 1 (T tání + T) = µ l 1 (T tání + T) + RT ln x 1 ( µ µ s s) ( ) 1 (T tání) + T 1 µ = µ l l T 1 (T tání) + T 1 + RT ln(1 x T 2 ) T (µ l T 1 µ s 1 ) = T( tání S m ) = T táníh m T táníh 1,m T T = RT ln(1 x 2 ) RTx 2 RTM 1 m 2 T = K K m 2 K K = RT 2 tání M 1 tání H 1,m = kryoskopická konstanta Pøíklad. Kdy zaène mrznout pivo? K K,voda = 1.85 K kg mol 1. nebo K f = K K T = K f im nedisoc. 2 1.5 C

Osmometrie tlaku nasycených par 17/18 Vapor pressure osmometry z kapky èistého rozpou¹tìdla se kapalina vypaøuje roztok má men¹í tlak nasycených par, proto na nìm páry kondenzují rozpou¹tìdlo se ochladí, roztok ohøeje rozdíl teplot koncentrace (koligativní vlastnost) credit: http://www.uicinc.com/model-833/ pozn.: znak znamená þje úmìrnýÿ

Koligativní vlastnosti { shrnutí 18/18 závisí jen na poètu molekul (molù) rozpu¹tìných látek. zvý¹ení bodu varu (ebulioskopie), T = K E m 2 = K E m 2 m 1 M 2 sní¾ení bodu tání (kryoskopie), T = K K m 2 T = K K m 2 m 1 M 2 napø. kafr K K = 40 K kg mol 1, t t = 176 C. osmotický tlak, Π = c 2 RT = m 2 VM 2 RT tlak plynu, p = nrt/v = crt = Pou¾ití: stanovení molárních hmotností m VM 2 RT (jen plyny èi tìkavé látky) Pøesnost: ebulioskopie < kryoskopie < osmometrie tlaku nasycených par < membránová osmometrie