background image

 

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. 

background image

 

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: 

-  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) 

- stała będąca ilorazem stałej szybkości adsorpcji i stałej szybkości desorpcji 

- 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 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

). 

background image

 

 

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: 

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

- stężenie substancji 

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

- 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) 

background image

 

Stałą 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 

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

- 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. 

 

background image

 

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. 

 

background image

 

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] 

100 

8,0 

---- 

100 

6,0 

2,0 

100 

4,0 

4,0 

100 

2,7 

5,3 

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. 

 

 

 

 

background image

 

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. 

 

 

background image

 

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? 

 
 

 

background image

 

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  

max

 = 243 nm) 

12,5 

 

10,0 

 

7,5 

 

5,0 

 

2,5 

 

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] 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

background image

10 

 

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

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

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

3.

 

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

Nr próbki 

Absorbancja 

max

=243 nm) 

rozcieńczenie 

Stężenie paracetamolu w stanie równowagi

  

C

r

 

[mg/ml] 

 

1000 

 

 

1000 

 

 

1000 

 

 

100 

 

 

--- 

 

 
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

 

 

 

[mg] 

[mg] 

[mg] 

[mg] 

[mg/1g węgla] 

100 

 

 

 

 

100 

 

 

 

 

100 

 

 

 

 

100 

 

 

 

 

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

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

background image

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

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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: