I. PROPRIETILE GENERALE ALELICHIDELOR

1.

DETERMINAREA

COEFICIENTULUI

DE

TENSIUNE

SUPERFICIAL A LICHIDELOR Noiuni teoretice Stratul de la suprafaa unui lichid care are grosimea razei sferei de aciune molecular, 5.10-9m, se numete strat superficial. Toate moleculele cuprinse n acest strat vor fi atrase spre interiorul lichidului datorit faptului c forele de atracie (coeziune) exercitate de moleculele din interior (din lichid) sunt mai mari dect cele exercitate de moleculele de gaz n contact cu suprafaa lichidului. Din cauz c moleculele acestui strat sunt atrase spre interior, stratul superficial va exercita asupra lichidului o presiune. Moleculele din stratul superficial au o energie potenial mai mare dect cele din interior. Pe de alt parte, se tie c n general, sistemele se gsesc n echilibru cnd energia lor potenial devine minim. De aici rezult c starea de echilibru se realizeaz cnd exist cele mai puine molecule la suprafa, de unde rezult tendina de micorare a suprafeei libere a lichidului. Forele tangeniale care iau natere n stratul superficial i care micoreaz suprafaa liber a lichidului poart numele de tensiune superficial. Din cauza existenei tensiunii superficiale suprafaa liber a unui lichid ntr-un vas este plan, iar picturile de lichid n cdere adopt forma sferic. Fora de tensiune superficial este dat de relaia: F = l , unde

este o constant ce depinde de natura lichidului i se numete

coeficientul de tensiune superficial, iar l este lungimea conturului pe suprafaa lichidului. Se exprim cu ajutorul relaiei = F/1 i are unitatea de masur N/m n sistemul internaional de uniti. Coeficientul de tensiune superficial este deci egal cu fora ce se exercit n planul suprafeei (sau tangent la aceasta pentru suprafeele curbe), perpendicular pe1

unitatea de lungime. El scade cu creterea temperaturii datorit creterii energiei cinetice a moleculelor lichidului. Pentru coeficientul de tensiune superficial se poate utiliza i definiia ce rezult din amplificarea cu distana (d), pe care se deplaseaz fora, conform formulei:energie F d = l d sup rafata

=

[N/m; J/m2 ]

Se observ c valoarea coeficientului de tensiune superficial reprezint, de fapt, energia liber a unitii de suprafa a stratului superficial. ntr-un sistem izolat care evolueaz izoterm se produc numai acele procese ce duc la scderea energiei libere a sistemului. n consecin, energia liber a stratului superficial poate scdea att prin reducerea suprafeei libere ct i prin diminuarea coeficientului de tensiune superficial. Pentru o soluie, la echilibru, stratul ei superficial va avea suprafaa minim posibil, iar pe aceast suprafa se vor fixa acele molecule din soluie care reduc coeficientul de tensiune superficial, el lund valoarea minim posibil. Substanele organice coninnd n molecule att grupuri polare, hidrofile, ct i lanuri hidrocarbonate, hidrofobe, au tendina de a se acumula la suprafaa soluiei, prin aceast energie liber a sistemului reducndu-se. Explicaia rezid n aceea c lanurile hidrofobe vor fi excluse din faza apoas pe cnd gruprile hidrofile vor rmne incluse n stratul superficial al fazei apoase. Are loc, deci, un fenomen de absorbie, moleculele rmnnd fixate la suprafaa soluiei. Astfel, coninutul de molecule de acest tip este mai mare n stratul superficial dect n straturile profunde ale soluiei. Scderea energiei libere a sistemului prin acest fenomen se traduce prin reducerea energiei libere pe unitatea de suprafa a stratului superficial, adic a coeficientului de tensiune superficial. Astfel de substane, care se absorb n stratul superficial al soluiilor i duc la scderea coeficientului de tensiune superficial, se numesc tensioactive. Cantitatea de substan tensioactiv absorbit pe stratul superficial este o funcie cresctoare de concentraia soluiei. Mrind progresiv concetraia soluiei,cantitatea de substan absorbit va crete la rndul ei, determinnd scderea progresiv a coeficientului de tensiune superficial. Aceast scdere continu pn nc se mai pot absorbi noi molecule i nceteaz n momentul2

n care suprafaa este saturat, adic este n ntregime ocupat. Creterea n continuare a concentraiei soluiei nu mai duce la scderea tensiunii superficiale, aceasta avnd valoarea minim posibil pentru soluia dat, ntruct i cantitatea de substan absorbit pe unitatea de suprafa este maxim posibil. Substanele hidrofile, (electroliii sau substanele puternic polare) au molecule care interacioneaz cu apa mai puternic dect moleculele de ap ntre ele. Datorit acestui fapt, la dizolvarea unei astfel de substane n ap starea de energie minim a sistemului se realizeaz dac moleculele solvite sunt nconjurate din toate prile de molecule de ap. Ca urmare, ele au tendina de a se acumula n interiorul soluiei apoase i nu se vor fixa pe stratul superficial. Coeficientul de tensiune superficial a unei astfel de soluii va fi egal sau cu puin crescut n raport cu cel al apei pure. Substanele care la dizolvarea lor nu modific sau cresc foarte puin coeficientul de tensiune superficial se numesc tensioinactive. Creterea uoar a coeficientului de tensiune superficial ce se observ uneori la astfel de soluii se explic prin atracia mai mare la care sunt supuse moleculele stratului superficial de ap prin prezena n interiorul soluiei a moleculelor puternic hidrofile. i n acest caz energia liber a sistemului este minim, creterea discret a energiei libere a stratului superficial fiind nsoit de o scdere foarte exprimat a energiei libere a soluiei prin interaciunea dintre moleculele hidrofile i ap. Pentru serul sanguin normal coeficientul de tensiune superficial este de 67 68.10-3 N/m, iar pentru urin 70.10-3 N/m. Aceste valori sunt numai cu puin mai mici dect coeficientul de tensiune superficial al apei la 20C, care este 72.10-3 N/m. Ele se reduc considerabil ori de cte ori se acumuleaz n snge i se elimin prin urin substane tensioactive (de exemplu: sruri biliare n caz de icter mecanic). Principiul msurtorii Un lichid lsat s curg liber printr-un orificiu foarte strmt aflat la captul inferior al unui tub capilar aezat n poziie vertical curge sub form de picturi. Fiecare pictur se desprinde de captul tubului n momentul cnd greutatea i G devine egal cu forele de tensiune superficial F exercitate pe circumferina care formeaz linia de contact dintre marginea tubului i baza picturii. Vom avea deci: G = F.3

Deoarece G = mg i F = 2 r atunci: m g = 2 r , unde m = masa picturii, g = acceleraia gravitaional.

n momentul desprinderii, greutatea picturii este proporional cu constanta detensiune superficial a lichidului (legea lui Tate). n locul masei unei picturi putem lua produsul dintre volumul ei (v) i densitatea lichidului (d), deoarece m = v d. vdg = 2 r (1) Volumul unei picturi e greu de msurat direct, ns l putem determina indirect, msurnd exact un volum V de lichid (volumul stalagmometrului), determinnd numrul de picturi (n) pe care l d acest volum la curgerea spontan prin orificiul capilar i fcnd raportul:v n

V

=

Introducnd aceasta valoare a lui v n (1) avem:v dg = n

2 r

(2)

Lund un al doilea lichid, de exemplu apa, vom avea o relaie asemntoare :v d g=2 r na aa

(3)

mprind relaia (2) cu (3) obinem:d na = ds n a na d n da

(4)

de unde coeficientul de tensiune superficial a lichidului respectiv:

=a

(5)

Relaia (5) ne permite s calculm coeficientul de tensiune superficial a unui lichid determinnd numrul de picturi dat de un volum anumit de lichid i numrul de picturi dat de acelai volum de ap. Aparatur :

4

Stalagmometrul Traube se compune dintr-un tub de sticl care prezint un rezervor prevzut cu dou repere circulare a i b. Tubul n poriunea lui inferioar se continu cu un capilar c, care se termin cu o suprafa lrgit i lefuit orizontal d. Deasupra i dedesubtul reperelor a i b sunt gravate pe tub mai multe diviziuni care servesc la determinarea fraciunilor de pictur. Mod de lucru Stalagmometrul, dup ce a fost splat i uscat la trompa de vid, se prinde vertical cu ajutorul unei cleme pe un stativ i sub el se aeaz un vas n care s cad picturile (vezi figura alturat). Se aspir apa distilat pn deasupra reperului a, cu ajutorul unui tub de cauciuc ataat la partea superioar a stalagmometrului, cu precauia s nu se formeze bule de aer. Se numr picturile care se desprind n timpul cnd se scurge volumul lichidului de la reperul a pn la reperul b. Fie na numrul lor i da densitatea apei la temperatura de lucru.Fig1.1.Stalagmometrul Traube

Se spal stalagmometrul cu alcool i se usuc la trompa de vid. Se aspir n stalagmometru lichidul i se numr picturile desprinse ntre aceleai repere. Fie n numrul lor i d densitatea lichidului la temperatura de lucru. Se repet operaia de mai multe ori i se face media determinrilor. Rezultatele se trec ntr-un tabel de felul celui ilustrat mai jos. n funcie de substana tensioactiv utilizat se vor face determinri la mai multe concentraii urmrindu-se scderea tensiunii superficiale cu concentraia. Rezultatele se vor reprezenta grafic.

= f(c)

5

Nr. soluie

Concentrai e

d [g/c m3 ] (x103 Kg/ m3)

Nr de pic tu ri n

Nr.mediu de picturi

[dyn/cm]

(x10-3 N/m3)

2. DETERMINAREA COEFICIENTULUI DE VSCOZITATE Noiuni teoretice Mediile interne ale organismului, sngele, lichidul interstiial, citoplasma etc., sunt sisteme disperse care posed proprietile fizice generale ale fluidelor. Vscozitatea este o proprietate a fluidelor determinat de frecarea intern ce ia natere n masa fluidului ca urmare a micrii straturilor care se deplaseaz unele fa de altele cu viteze diferite. S considerm c exemplu de fluid un lichid aderent, apa, care curge cu viteza mic printr-un tub. Se constat c viteza de curgere este mai mic n apropierea pereilor tubului i mai mare de-a lungul axului. Explicaia fenomenului este urmtoarea: un strat de ap ader de pereii tubului i rmne n repaus, de acesta se freac stratul urmtor, care se va mica cu o vitez relativ mic. Straturile urmtoare se vor mica cu o vitez din ce n ce mai mare pn ce se atinge o vitez constant, dependent de presiunea de curgere i de vscozitate. O astfel de curgere la care deplasarea lichidului se face prin straturi paralele cu direcia de curgere se numete curgere laminar. Rezult c n masa lichidului care curge prin tub exist un gradient de vitez perpendicular pe direcia de curgere. Un fluid la care deplasarea reciproc a straturilor s-ar face fr frecare se numete fluid perfect. Forele de frecare intern care apar la curgerea unui fluid determin vscozitatea fluidelor. Ea depinde de natura lichidului ca i de concentraia, mrimea i forma moleculelor dizolvate. Pentru definirea coeficientului lui de vscozitatea s considrm n interiorul unui fluid un strat de molecule aezate ntr-un plan orizontal, de suprafaa S, care se deplaseaz prin masa lichidului n planul propriu cu viteza v. Din cauza frecrii interne straturile vecine vor fi antrenate cu o for F, a creiS v valoare depinde de mrimea suprafaei de contact , de variaia vitezei , de6

distana dintre straturi i de o constant care depinde de natura lichidului. Relaia l care leag toate aceste mrimi este urmtoarea:

F =

v S l

Fig.2.1. a) Curgerea laminar;

b) Apariia forelor de vscozitate

Din relaia de mai sus, valoarea constantei va fi:=F l S v

Aceasta constant se numete coeficient de vscozitate i este o mrime caracteristic pentru fiecare lichid. Msurarea coeficientului de vscozitate are importan att pentru cercetarea medical, unde poate fi utilizat pentru determinarea formei i mrimii moleculelor dizolvate, ct i pentru aprecierea modului de desfurare a fenomenelor hidrodinamice din organism. Astfel creterea coeficientului de vscozitate a sngelui duce conform legii lui Poiseuille, la scderea debitului sanguin dac fora de contracie a inimii rmne constant. n acest caz meninerea constant a debitului sanguin nu se poate realiza dect prin creterea forei de contracie a muchiului cardiac, deci i a tensiunii arteriale. Principiul determinrii Pentru calcularea coeficientului de vscozitate se utilizeaz trei categorii de metode: 1) metode bazate pe curgerea lichidelor prin tuburi capilare conform legii lui Poiseuille; 2) metode bazate pe rezistena opus de ctre fluide la cderea unei sfere, conform legii lui Stokes; 3) metode de antrenare, bazate pe antrenarea n7

micarea de rotaie a unui cilindru suspendat n masa lichidului. n cadrul lucrrilor de laborator noi vom utiliza numai metode bazate pe legea lui Poiseuille. Relaia stabilit de Poiseuille pentru cantitatea de lichid ce trece printr-un tub cilindric, dac curgerea se face laminar, este urmtoarea:Q= r4 P t 8l

unde Q este volumul de lichid care se scurge n timpul t, r este raza tubului capilar, l este lungimea capilarului i P presiunea de curgere. Dac tubul capilar se gsete n poziie vertical presiunea de curgere P este egal cu presiunea hidrostatic a coloanei de lichid n tub. Notnd nlimea coloanei de lichid cu h, densitatea lichidului, , i acceleraia gravitaional g, vom avea urmtoarea relaie: P= gh ntroducnd n relaia de mai sus, avemQ= r 4h g t 8 l

Din aceast relaie se poate calcula coeficientul de vscozitate al lichidului dac msurm mrimile cuprinse n relaie. Raza unui tub capilar este greu de msurat cu precizie, n practic utilizm un procedeu care elimin din calcul aceast mrime. Astfel se fac determinri comparative lsnd s curg prin acelai tub capilar lichidul al crui coeficient de vscozitate vrem s-l aflm i apoi un volum egal de ap distilat al crui coeficient de vscozitate este cunoscut. Vom avea pentru lichid i ap distilat urmatoarele relaii:= r 4 hgt8 l Q

i

a =

r 4 a gt a 8 l Q

mprind aceste relaii obinem: t = a a t a

i =a

t a t a

Ultima relaie se va folosi la calculul coeficientului de vscozitate, innd cont de valorile constantelor a = 1 Cp = 10-3Ns/m2 si a = 0,997 g/cm3. Aparatur8

Pentru determinarea coeficientului de vscozitate vom utiliza vscozimetrul Ostwald (figura de mai jos). El se compune dintr-un tub capilar (c), a crui extremitate se continu cu un tub n form de U i cu un rezervor (R), prelungit cu un tub vertical (V). Extremitatea superioar a capilarului se continu cu o bul (B) care la poriunea superioar are un tub prevzut cu o gtuitur.Pe gtuitura superioar este trasat un reper a, la fel i pe cea inferioar a bulei, b. Pentru a menine constant temperatur, n determinrile de precizie vscozimetrul se introduce ntr-un termostat.

Fig.2.2 . Vscozimetrul Ostwald.

Mod de lucru Aparatul se spal bine i se usuc la trompa de vid. Se introduce cu o pipet o cantitate determinat de lichid n rezervorul vscozimetrului, aceeai cantitate pentru toate soluiile. Se aspir ncet lichidul n rezervorul situat la partea superioar a tubului capilar. Se las lichidul s se scurg determinndu-se cu ajutorul unui cronometru timpul necesar scurgerii lichidului ntre cele dou repere. Pentru aceeai soluie se efectueaz mai multe determinri, i se va face media rezultatelor care se trec n tabelul urmtor: Vscozimetrul OswaldNr. Solu ie

[g/cm3]

Timp de scurg ere

Timp medi u de scurg ere

cP(x10-3 Ns/m2)

1. 2.

9

Detreminarea vscozitii sngelui are o deosebit importan medical deoarece vscozitatea sngelui variaz dup cum urmeaz : - snge total, de la 3,5 pna la 5,4 10 -3 N s/m - valori medii :- femei 4,510 Ns/ m -brbai : 5,010 N s/ m - plasm sanguin, de la 1,9 2,3 10 N s /m - serul sanguin, de la 1,6-2,2 10 N s /m Vscozitatea sngelui total este mai crescut la brbat fa de femeie, la adult fa de copil, mai mare la sngele venos dect cel arterial, depinznd de concentraia de CO2 din snge. Din punct de vedere patologic vscozitatea sngelui crete n cazul poliglobuliei i leucemiei, scade n cazul anemiei depinznd de volumul i forma hematiilor, precum i n hipoproteinemie.

10

3. DENSIMETRIE Noiuni teoretice Densitatea este o caracteristic fizic proprie fiecrei substane. Se definete densitatea absolut ca fiind masa unitii de volum, adic raportul d = m/v exprimat n kg/m3. Dac n locul masei din formula de mai sus se introduce greutatea substanei, care variaz n raport cu acceleraia gravitaional (G = mg ), atunci se poate defini noiunea de greutate specific ( = mg/V). Se mai definete densitate relativ ca fiind raportul dintre densitatea absolut a unei substane i densitatea absolut a apei distilate la + 4oC (cnd este maxim ) sau la o alt temperatur dat: dr =d V m m = . = , care este o mrime adimensional. Menionm c da ma ma V

masa unui metru cub de ap distilat la: 0oC este 999,8 kg + 4oC este 999,9 kg 1000 kg + 25oC este 997,0 kg ceea ce demonstreaz c densitatea variaz odat cu modificarea temperaturii, astfel c pentru msurarea riguroas a densitii absolute se face ntotdeauna corecia de temperatur necesar ( dcorectat = dr da cunoate din tabele ). Dac se afl direct prin cntrire valorile m i ma, se poate calcula densitatea oricrei substane dorite. Densitile diferitelor materiale exprimate n 103 kg/m3: platin aur mercur fier 21,40 19,30 13,59 7,86 O2 lichid ghea potasiu petrol 1,14 0,92 0,86 0,8011toC ,

unde densitatea apei distilate la toC se

aluminiu sulf CO2solid

2,71 2,00 1,53

alcool lemn stejar H2 lichid

0,79 0,70 0,07

Conform principiului lui Arhimede, un corp scufundat ntr-un lichid este mpins de sus n jos cu o for egal cu greutatea volumului de lichid dezlocuit. Cum fiecare lichid are o anumit densitate nseamn c prin scufundarea aceluiai corp n diferite lichide, dei se dislocuiesc volume egale, acestea vor avea greuti diferite, ceea ce genereaz fore de mpingere diferite. Pe acest raionament se bazeaz determinarea densitii lichidelor cu ajutorul densimetrelor (areometrelor), balanei MohrWestphal, metoda Van Slyke pentru densitatea sngelui etc. 3.1 DETERMINAREA DENSITII LICHIDELOR I SOLIDELOR CU a) La lichide: Deoarece se lucreaz cu unul i acelai picnometru, volumul apei i a lichidului studiat sunt aceleai, urmnd doar s msurm masele cu ajutorul unei balane electronice. Vom introduce notaiile: m0 = masa picnometrului; ma = masa picnometrului umplut cu ap distilat; ml = masa picnometrului umplut cu lichidul studiat; m = masa lichidului studiat; v = volumul picnometrului, egal cu al apei sau al lichidului studiat; da = densitatea apei la temperatura de lucru ( se ia din tabele ); d = densitatea lichidului studiat. deci m = m1 m0 v = (ma m0 )/ da d = m/v =( ml m0 )/ (ma m0 ) da b) La solide: Volumul unui corp solid se poate afla indirect prin msurarea masei de ap dislocuite de ctre acel corp. Astfel vom introduce i notaiile: ms = masa corpului studiat;12

AJUTORUL PICNOMETRULUI I A BALANEI DIGITALE

mas = masa picnometrului care conine corpul studiat i n rest este umplut cu ap distilat; vs = volumul corpului studiat ( egal cu volumul apei dislocuite de ctre corpul studiat, la introducerea n picnometru ); ds = densitatea corpului studiat. deci vs = (ma + ms mas )/ da ds = ms/vs = ms / (ma + ms mas ) da Dispozitive: Picnometrele sunt vase de sticl de diferite capaciti prevzute cu dopuri strbtute de o capilar fin. Cele mai pretenioase sunt prevzute cu termometre iar capilarele sunt marcate cu un reper (R). Unele picnometre pentru corpuri solide nu au dop iar pe gtul lor este trasat reperul R (fig. 3.1.). Alte instrumente necesare sunt balana digital i termometrul digital. Fig. 3.1. Tipuri de picnometre.

Fig.3.2. Balana digital

13

Mod de lucru Dup ce se spal bine picnometrul i se usuc, se cntrete cu precizie masa sa mpreun cu dopul (m0). Se umple apoi cu ap distilat astfel nct la punerea dopului apa s refuleze prin capilara acestuia iar n interior s nu rmn bule de aer. Se terge exteriorul picnometrului i dopul astfel nct capilara acestuia s rmn plin cu lichid. Cntrind acum picnometrul cu ap obinem valoarea ma. Se procedeaz identic i pentru aflarea celorlalte valori necesar calculului (masa picnometrului cu lichidul de studiat-de exemplu soluie hidro-alcoolic- i masa picnometrului care conine corpul solid -de exemplu cteva bile de plumb). Pentru obinerea unor rezultate precise se va avea n vedere totdeauna grij ca: - lichidul din interior s nu conin bule de aer; - corpul solid s-l cntrim numai cnd este perfect uscat; - s lum n lucru o cantitate ct mai mare de substan solid; Densitatea apei (da) necesar calculelor se afl din tabele, corespunztor temperaturii de lucru ( temperatura se va msura cu termometrul digital). Calculele i prezentarea rezultatelor Dup aflarea tuturor maselor prin cntrire, facem nlocuirile n formulele respective i calculm densitile substanelor studiate (plumb, aliaje). Rezultatele le vom trece ntr-un tabel: Nr. Substan m0 g 1. 2. lichid solid ma g ml g ms g mas g dl 103 kg/m3 ds 103 kg/m3 -

14

3.2 DETERMINAREA DENSITII LICHIDELOR CU AREOMETRELE Dup cum am artat n introducere, un corp scufundat ntr-un lichid va rmne n echilibru numai cnd greutatea va fi egal cu cea a volumului de lichid dislocuit. Pe acest principiu sunt construite areometrele, formate n principal dintr-o tij de sticl cu gradaii Tg, o contragreutate G i un termometru T.

Fig.3.3 Utilizarea densimetrelor. Se observ uor dac d2 > d1, atunci v2 < v1, masa M areometrului rmnnd aceeai adic: d1 = M/V1 si d2 = M/V2, deci d1/d2 = V1/V2 adic volumul poriunii din aerometru cufundat ntr-un lichid este invers proporional cu densitatea lichidului. Areometrele utilizate n laborator au diferite destinaii fiind etalonate corespunztor (etalonarea se face cu ajutorul unor soluii de densitate cunoscut ). Cele mai utilizate tipuri de areometre sunt: - Densimetrul, un areometru care prin scufundare ne d direct densitatea lichidului prin citirea gradaiei de pe tij Tg n dreptul nivelului lichidului. Precizia densimetrelor poate fi 10-3 10-4 ( adic 0,001 0,0001 ). Deoarece aceasta comport15

o lungime a tijei mare ( respectiv, distane mari ntre gradaii ) se utilizeaz cu succes o trus de densimetrie, fiecare dintre ele acoperind cu suficient precizie un domeniu ngust de densiti. De obicei, fiecare densimetru este marcat cu un simbol care ne permite s transformm densitatea msurat la o anumit temperatur, pentru o alt temperatur, de exemplu simbolul d415 ne arat c temperatura de lucru este de +15oC, iar densitatea indicat este densitatea relativ n raport cu densitatea apei la +4oC. Formula cu ajutorul creia putem converti densitatea relativ este: t1 t1 t1 dt = dT + dT unde: t1 dt - densitatea cutat n baza t i la temperatura de lucru t1. t1 temperatura dT densitatea msurat n baza T ( nscris pe densimetru ) i la de lucru t1, factor de corecie.15

Exemplu de corecie: cu un densimetru ce are simbol d15

gsim d1515 = 1,6740 i

dorim s o convertim n baza d420 , deci d420 = 1,6740 0,000988 1,6740 = 1,6724. n practica laboratorului medical se utilizeaz n mod frecvent truse de densimetrie care permit determinri de densitate n intervale destul de largi. -Alcoolmetrul, este un densimetru etalonat n baza d1515 i ale crui gradaii indic concentraia n procente de volum ( % V ) a soluiei alcoolice respective, care se mai numete i trie real. Cum ns nu se lucreaz ntotdeauna la temperatura 15oC nseamn ca vom citi n realitate o trie aparent corespunztoare temperaturii la care lucrm. Deci va trebui s trecem de la tria aparent la tria real, lucru realizabil cu ajutorul tabelelor. Cunoscnd tria real care nu este altceva dect concentraia corectat n procente de volum ( % V ), cu ajutorul tabelelor o putem converti n procente de greutate ( % G ) sau n g/l sau putem pur i simplu aflm densitatea d1515 a soluiei alcoolice . - Urodensimetrul este un areometru special cu scala mult redus, tija fiind gradat doar ntre 1,000 1,050. Este utilizat frecvent n clinic pentru determinarea densitii urinei n cadrul explorrilor funciunii aparatului renal. Desigur, dac este16

nevoie se fac coreciile de temperatur necesare ( se adaug o unitate densimetric pentru o variaie a temperaturii cu 3,3oC dac temperatura depete +15oC ).

Fig 3.4. Urodensimetrul

Mod de lucru Indiferent cu care tip de areometru vom lucra, vom proceda n acelai fel. ntr-un cilindru de sticl C, se introduce soluia de cercetat ,S , n suficient cantitate pentru ca areometrul s poat pluti liber ( acesta se introduce n soluie cu mult atenie pentru a nu-i sparge partea inferioar prin lovire de fundul vasului, unde pentru orice eventualitate se pune si vat ). n momentul cnd areometrul se afl n echilibru perfect, fr ating fundul sau pereii cilindrului C, se citete gradaia g pn la care s-a cufundat n lichid precum i temperatura nregistrat pe termometrul T. Dup ntrebuinare areometrele se terg i se nchid n cutiile lor protectoare. Citirea gr gradaiei se face n dreptul prii inferioare a meniscului. Calcule i prezentarea rezultatelor Dup determinarea densitilor i a concentraiilor vom face coreciile de temperatur corespunztoare, rezultatele trecndu-le n tablelul urmtor: Determinri dTdensimetrie alcoolmetrice urodensimetrice t1 t1o

t 1C

10

-6

dt

Tria Tria apar. real. G% mas. sau % V g/l

17

4. METODE CALORIMETRICE 4.1. DETERMINAREA CLDURII SPECIFICE A UNUI CORP SOLID Principiu: Calorimetria este partea termodinamicii care se ocup cu msurarea cantitilor de cldur. Cldura este o form de energie care se datorete agitaiei termice i se msoar n jouli (J) sau calorii. O calorie este cantitatea de cldur necesar unui gram de ap distilat pentru a-i ridica temperatura cu un grad, de la 19,5 0 la 20,50 C. Unei calorii i corespunde 4.18 jouli n sistemul SI. Cantitatea de cldur primit de un corp, depinde de masa m a lui, de natura corpului, caracterizat printr-o constant caracteristic, notat cu c, i de diferena de temperatur t adic: Q = m .c. t De aici : c =Q ; m t

(1)

dac m = 1 i t = 10 obinem, c = Q.

Deci cldur specific este cantitatea de cldur necesar unitii de mas dintr-un corp pentru a-i ridica temperatura cu un grad. n sistemul CGS ea se msoar nca l g .g rd

[c ] =

iar n sistemul internaional [c ] =

J . K .K g

Cldura specific a apei este de 1 cal/g.grd = 4,18 J/KgK. Ea este mult mai mare dect a celor mai multe corpuri. Produsul dintre cldura specific i masa corpului se numete capacitate caloric i se notez cu C = m.c. Produsul dintre cldura specific i masa molar M se numete cldur specific molar, CM=c.M sau cldur molar. Cldura specific a unui corp poate fi determinat prin mai multe metode, cea mai simpl are la baza metoda amestecurilor. Ea se bazeaz pe schimbul de cldur care se realizeaz prin punerea n contact a dou sau mai multe corpuri cu temperaturi diferite. De exemplu dac introducem ntr-un calorimetru cu ap un corp a crui18

temperatur este mai ridicat dect cea a apei el va ceda o anumit cantitate de cldur. n momentul echilibrului termic, conform principiilor calorimetrului, este valabil egalitatea: Q1 = Q2 Q3 , unde Q1 reprezint cantitatea de cldur cedat de corpul mai cald, Q2 cantitatea de cldur absorbit de apa din calorimetru i Q3 cantitatea de cldur absorbit de calorimetru, agitator i termometru. Q1 = m ( t t2 ), Q2 = m1c1 ( t2 t1 ), Q3 = m2c2 ( t2 t1 ) unde: m este masa corpului de analizat, m1 este masa apei din calorimetru, m2 este masa calorimetrului, agitatorului i a termometrului, c este cldura specific a corpului, c1 este cldura specific a apei, c2 este cldura specific a calorimetrului, termometrului i agitatorului, t2 este temperatura final a amestecului( de ehilibru) , t este temperatura iniial a corpului, t1 este temperatura iniial a apei din calorimetru, agitator, termometru. Deci t > t2 > t1. nlocuind valorile pentru Q1, Q2 i Q3 obinem: mc ( t t1 ) = ( m1 c1 + m2 c2 ) ( t2 t1 ) Capacitatea caloric a calorimetrului ( m2 c2 ) se determin n prealabil i poart denumirea de echivalent n ap al calorimetrului (notat cu A). Astfel se poate calcula cldura specific a unui corp innd cont de valoarea echivalentului n ap al calorimetrului i de faptul c pentru ap cldura specific este egal cu 1 cal/g grad ( sau 4185 J/kg grad ), avem: c =(m1 .c1 + A)( t 2 t1 ) m (t t 2 )

Dispozitive: Vasul calorimetric este compus dintr-un vas cilindric B, introdus ntr-un vas mai mare C i izolat termic. Vasul B conine o cantitate precis msurat de ap, un termometru D i un agitator E ( Fig. 4.1 ).

Fig.4.1 Prile componente ale unui calorimetru.

19

Mod de lucru; - Se introduce n calorimetru o cantitate de ap precis msurat, m1. - Se msoar temperatura apei din calorimetru t1 ( fie cu un termometru cu mercur, fie cu un termometru electric ) - Se cntrete corpul; apoi se introduce ntr-un vas cu ap care fierbe, unde se las cteva minute. - Se msoar temperatura apei care fierbe i care reprezint temperatura iniial a corpului t. - Se introduce repede corpul nclzit n calorimetru, agitnd lent apa din calorimetru. - Se urmrete indicaia termometrului. n momentul n care ea este staionar se citete valoarea. Aceasta este temperatura final a amestecului, t2. Pentru a determina cldura specific a corpului se introduc datele n relaia de mai sus. Msurtorile i calculele se vor efectua pentru diferite materiale: fier, plumb, aluminiu, aliaje. Rezultatele se trec n tabelul urmtor: Nr.det. 1. 2. Materialul A studiat J/kg ( cal/g) Pb Al m g g m10

t2 C0

t1 C0

t C

c J/kg grad (cal/g.grad)

4.2. DETERMINAREA CALDURII SPECIFICE A UNUI LICHID Pentru a determina cldura specific a unui lichid se folosete unpurttor de cldur numit termofor. Termoforul este un balon de sticl prevzut cu un tub subire, el poate transporta aceeai cantitate de cldur att lichidului de referin ( apa ) ct i lichidului de cercetat, deci este valabil ecuaia calorimetric Qtermofor= Qlichid. Mod de lucru:20

Qtermofor = Qapa i

Se msoar masa m

vas

a vasului interior al calorimetrului, ma-masa apei ce se

introduce n el i temperatura ta a sistemului ap-calorimetru.

Termofor b

Se umple balonul pn la reperul a cu un lichid colorat i se nclzete ntr-un vas cu ap cald pn lichidul din tub atinge nivelul b. n acest proces de nclzire termoforul primete cantitatea de cldur Q. Se scoate termoforul din baia cald i se introduce n apa din calorimetru., urmrind coborrea nivelului de la b la a. n acest proces de rcire termoforul va ceda apei exact aceiai cantitate de cldur pe care a primit-o. Dup stabilirea echilibrului termic se msoar temperatura final tf. Se repet aceleai operaii cu lichidul de cercetat. Dup golirea apei din calorimetru se introduce o mas de lichid ml i se msoar temperatura lui t l . Masa lichidului se poate afla din produsul volumului de lichid i densitatea lui. Se nclzete din nou termoforul n baia cald pn ce lichidul din tub atinge nivelul b dup care se introduce n calorimetrul cu lichid i se ateapt atingerea nivelului a, iar temperatura de echilibru va fi te . Cantitatea de cldur cedat lichidului n aceste condiii este egal cu cea cedat apei. Cantitatea de cldur primit de ap i de vasul interior al calorimetrului va fi : Q = m aca ( t f - t a ) + m vas.cvas ( t f t a )

21

Cantitatea de cldur calorimetrului va fi:

primit de lichidul de cercetat

i de vasul interior

al

Q = m l cl ( t e t l ) + m vasc vas( t e t l ) Dar m vascvas = C (capacitatea caloric a vasului ) care este deja cunoscut. m a .c a ( t f - t a ) + C ( t f t a ) = m l .c l ( t e - t l ) + C ( t e t l ) cl =m a .c a (t f t a ) + C (t f t a t l + t e ) ml (t e t l )

rezult

Se va determina cldura specific a dou lichide diferite (alcool etilic i soluie de acid acetic). Se tie c apa are ca = 1 cal/gr.grd, iar n general cldurile specifice ale lichidelor obinuite sunt mai mici dect a apei.

4.3. DETERMINAREA VARIAIEI DE ENTALPIE LA DIZOLVARE n sistemele biologice vii au loc o serie de transformri energetice nsoite de producere de cldur. Desigur, rolul principal n producerea cldurii l au procesele de oxidare ale substanelor nutritive, iar o parte mai mic o au i procesele de hidroliz, de dizolvare etc., procese care au loc la presiune constant (1atmosfer ). Pentru a studia aceste procese s-a introdus o funcie de stare numit entalpie (H), care poate fi exprimat cu ajutorul relaiei: H = U + pV (1) Unde U este energia intern a sistemului, p este presiunea la care se gsete sistemul iar V este volumul lui. Variaia entalpiei H = H2 - H1 reprezint cantitatea de cldur pe care sistemul o schimb cu mediul exterior ntr-un proces izobar,

H = Q p ,

Q p = U + p V (2)

Procesul de dizolvare a substanelor este nsoit de cldura de dizolvare, care depinde de interaciunea ionilor sau moleculelor substanei cu moleculele dizolvantului. La dizolvarea unei substane cristaline n ap au loc urmtoarele fenomene: a) distrugerea reelei cristaline de ctre moleculele de ap dipolare, care se interpun22

ntre ionii srii, energia ce trebuie cheltuit n acest proces se numete energie de reea Hr i b) solvatarea (hidratarea) lor cnd are loc o degajare de cldur datorit interaciunilor ion-dipol, numit energie de solvatare H s. Conform legii lui Hess, suma cantitilor de cldur ce nsoete un proces este constant.

Hdiz = H r + H s

(3)

Energia de reea Hr are valoarea de cca 102 cal /mol i este pozitiv deoarece este absorbit de sistem, iar energia de solvatare H s are cam aceeai valoare dar este negativ, deoarece ea este degajat de ctre sistem. Entalpia de dizolvare (cldura de dizolvare) poate fi pozitiv (dizolvarea endoterm ) sau negativ (dizolvare exoterm ) dup cum energia de reea este mai mare sau mai mic dect energia de solvatare. Cldura degajat sau absorbit se msoar n calorii /mol sau n jouli/mol. Cantitatea de cldur Q primit sau cedat de un corp de mas m i cldura specific c depinde de variaia temperaturii t adic: Q = m c t C = m. c , Deci: Q = C t (5) Pentru determinarea cldurii de dizolvare se aplic ecuaia calorimetric conform creia cantitatea de cldura absorbit de un sistem este egal cu cea degajat de alt sistem, cu care este n contact. n cazul dizolvrii unor sruri, cldura primit pentru dizolvare (Qp ) este egal cu cea cedat de sistemul calorimetric (Qcal ) i de cldura cedat de solvent (Qsol

(4)

Produsul dintre cldura specific i masa lui se numete capacitate caloric :

). Cldura cedat de calorimetru este Qcal = C t , iar cea (6)

cedat de solvent este Qsol. = m s.c s. t, deci cldura total este:

H = Q p = Q sol + Q cal = m sc s t + C t = ( m scs + C ) t

unde ms este masa soluiei ( masa apei + masa srii ), c cldura specific a soluiei care se poate egal cu cea a apei (1 cal/gr.grd.). Constanta calorimetrului C se poate determina din calcul. Entalpia de dizolvare se raporteaz la un mol de substan. Modul de lucru:

23

Se cntresc urmtoarele: vasul interior al calorimetrului i agitatorul, masa de ap ce se va introduce n acest vas i sarea pe care vrem s-o dizolvm, ntr-o eprubet. De exemplu: utilizai 200 moli ap (1Map = 18 g ) pentru 1mol sare. Se introduce eprubeta cu sare n apa din calorimetru i se msoar temperatura din minut n minut, pn ce ea rmne constant. Se va folosi termometrul digital. Se vars coninutul eprubetei n ap, se agit pn la dizolvarea srii. Se msoar din nou temperatura, timp de 5 minute, din minut n minut. Pentru a gsi valoarea lui t se reprezint grafic temperatura n funcie de timp. Se calculeaz apoi variaia entalpiei cu relaia (6).

Fig.4.2.Variaia procesul de

temperaturii

n

dizolvare.

24

II. MSURAREA PROPRIETILOR ELECTRICE ALE LICHIDELORBIOLOGICE 5. CONDUCTOMETRIE Determinarea concentraiei electroliilor din plasma sanguin este foarte util n practica clinic deoarece ofer indicaii asupra metabolismului hidromineral, asupra repartiiei apei n organism ntre cele trei compartimente: intracelular, interstiial i vascular. n diferite tulburri ale echilibrului hidromineral aceast repartiie poate suferi modificri importante. Determinarea concentraiei electrolitice a plasmei se poate face prin mai multe metode: conductivitate electric, crioscopie sau prin dozarea separate a ionilor. Prin msurarea conductibilitii sau a rezistivitii se poate face o dozare destul de precis i rapid a electroliilor din plasm, substanele neionizabile cum sunt urea sau glucoza nefiind implicate n aceste determinri. Noiuni teoretice de baz: Se numete conductivitate electric G ( conductan ), valoarea invers a1 , unde R

rezistenei, a mediului respectiv: G =

R este rezistena electric i

se msoar n ohmi ( ). Pentru conductorii de ordinul II conductibilitatea este o proprietate caracteristic i depinde de concentraia ionilor n soluie (deci de gradul de disociere electrolitic), de numrul de purttori de sarcin i de viteza cu care acetia transport curentul n soluie. Rezistena electric este dat de relaia:l R = , n care l este lungimea s

conductorului, s seciunea, rezistena specific sau rezistivitatea ( msurat n .cm ). Ea depinde de mediului respectiv. Rezistena specific,

, este rezistena

unui cub din acel mediu care are lungimea i seciunea egal cu unitatea. Conductana mediului G se msoar n -1, numit i Siemens ( S ) . Valoarea invers a rezistenei specifice se numete conductivitate electric specific :25

=

1 l -1 -1 = R.s ( cm ) sau ( S/cm )

Conductivitatea electric specific depinde de natura substanei, de temperatur i de concentraia soluiei. Pentru a determina conductivitatea electric specific a unui electrolit este nevoie de o celul de conductibilitate. Aceasta e alctuit din doi electrozi de platin cu suprafaa de cca 1 cm2 i distanai la 1 cm, astfel nct volumul de lichid s rmn acelai pentru toate soluiile de msurat. Celula dintre distana dintre electrozi i suprafaa lor, k=l ( cm-1 ) S

de

conductibilitate se caracterizeaz prin constanta celulei, care este dat de raportul

Deoarece raportul l/S apare i n legea lui Ohm, constanta celulei se poate determina prin msurtori de rezisten sau de conductan a unor soluii etalon de electrolit cu conductivitate cunoscut, = G. k ( S.cm-1 ) De obicei valoarea lui este dat n prospectul aparatului . Spre exemplu, conductivitatea soluiilor de KCl la 250 C este dat n tabelul de mai jos. Concentraia molar Conductivitatea / -1cm-1/ n practic se utilizeaz 0,1 0,01289 0,02 0,002768 0,01 0,001412

conductivitatea

echivalent sau cea molar adic

conductivitatea raportat la numrul de echivaleni-gram sau de molecule-gram de electrolit ntr-un cm3 de soluie. Acestea sunt simbolizate prin e i m i pot fi calculate cu relaia : e , m = c = .V e ,m

unde

c e,m = concentraia echivalent sau cea molar, iar V este volumul n cm 3.

Spre exemplu, fie o soluie molar a unei substane care disociaz n n ioni. Fiecare mol din aceasta soluie conine 6,02. 1023 molecule i posed o sarcin electric egal cu n. 6,02. 1023 .1,6. 10-19 coulombi sau n Faraday. Prin definiie o concentraie de 1 Echivalent reprezint concentraia ionilor pozitivi sau negativi care au o sarcin26

electric de 1 Faraday. n exemplul de mai sus concentraia echivalent a soluiei este de n Echivalent / litru. Experimental s-a putut demonstra c conductivitatea echivalent scade dac concentraia crete i se pot observa dou tipuri de comportamente care caracterizeaz electroliii tari, respectiv cei slabi. La diluii mari ( 1/ c

10 4) ea rmne aproximativ constant i se numete conductivitate

echivalent la diluie infinit . Extrapolnd la origine, la diluie infinit - unde comportamentul tinde s fie ideal - se obine conductivitatea echivalent limita 0.

[-1 cm-1 ]

0

Electroliti tari Electroliti slabi

Ce [eq/l] Fig.5.1. Dependena conductivitii electrice de concentraie pentru electrolii tari respectiv slabi.

Msurarea conductivitii (rezistivitii) are mare importan n determinarea concentraiei ionilor din plasma sanguin. Valoarea normal a rezistivitii plasmei sanguine la temperatura corpului este de 69-79 ohm.cm. O cretere a rezistivitii a plasmei sanguine, indic o scdere a concentraiei Concentraia total ajutorul relaiei:27

electroliilor

din

plasm.

a electroliilor din plasma sanguin se poate determina cu

c =

1.6.10 6 [ mEq / litru] (100 0,25 .P)

unde este rezistivitatea electric, iar P proteinemia n g/l, care este dat n funcie de densitatea plasmei n tabelul de mai jos. Tabelul 5Densitatea g/cm3 1,016 1,017 1,018 1,019 1,020 1.021 1,022 1,023 1,024 1,025 Proteinemia g/l 30,9 34,3 37,7 41,2 44,6 48,0 51,4 54.9 58,9 61,7 Densitatea cm3 1.026 1,027 1,028 1,029 1,030 1,031 1,032 1,033 1,034 1,035 g/ Proteinemia g/l 65,2 68,8 72,0 75,5 78,9 82,3 85,7 89,2 92,6 96,3

Valoarea normal a concentraiei totale a electroliilor n plasma este de 310 mEq/l. Msurtorile conductometrice efectuate n legtur cu proprietile electrice ale celulelor sanguine indic o valoare a capacitii electrice de 1 F/ cm2 i o conductan de 48 mS/cm, iar conductivitatea citoplasmei este de 4 mS/cm .

5.1. Utilizarea multimetrului electrochimic - pH, mV, temperatura i conductivitate ntr-un singur instrument - CONSORT C 830. La acest instrument pot fi conectate simultan un electrod de pH, un electrod redox, o celul de conductivitate i un senzor de temperatur. Parametrii tehnici: Domeniu de masur: 014 pH, 1000 mV, 0100C, 0100 mS/cm. Rezoluie : 0.01 pH, 1 mV, 1C, 0.1 S/cm Precizie - pH/mV 0.5% din valoarea masurat. - conductivitate- 2% pe toat scala. Compensarea temperaturii- automat sau manual n intervalul 0-100 C. Calibrare automat pH 2 puncte i conductivitate 1 punct28

Recunoatere tampon pH, 9 valori preprogramate. Accesorii- celul de conductivitate SK10B electrod de pH SP10B senzor de temperatur ST10N stativ flexibil cu bra. Soluii tampon i pentru calibrare.

Pe cutia aparatului exist 5 taste. Cu tasta Mode se poate selecta modul de lucru (msurarea conductivitii, pH, temperatura) procedura de etalonare i revenire la modul iniial. Butonul CAL ncepe sau continu etalonarea sau alegerea unei funcii , sgeile se folosesc pentru alegerea manual a unei valori sau a unei funcii, iar tasta ON/OFF pentru conectarea sau deconectarea aparatului . Pe ecran pot aprea cteva mesaje sau coduri de eroare: / or / = depirea scalei , / cc / = constanta celulei n afara domeniului de msur, / CAL/ = greeal de etalonare, / MEM/ = eroare de memorare. Nu se va introduce celula de conductivitate i electrodul de pH n acelai timp n soluie.

Fig.5.2. Conductometrul CONSORT 830.

5.1.a. Modul de lucru pentru msurarea conductivitii :29

Se selecioneaz gama de conductibilitate apsnd pe butonul Mode. Dup ce s-a splat electrodul cu ap distilat, pe urm cu soluia etalon de 0,01 M KCl ( 1413 S/ cm ), se cufund apoi electrodul n aceast soluie.Temperatura soluiei nu are importan, dar totui ea trebuie s fie cuprins ntre 0 i 30 grade Celsius. Dac temperatura este diferit, se compenseaz manual la valoarea indicat . Apsai apoi tasta Cal. Aparatul va arta temperatura de referin / r.20/ sau / r.25 /.Alegei valoarea dorit i apsai tasta Cal. Aparatul va indica constanta celulei de ex. / 1.045 / i se etaloneaz automat cnd afiajul este stabil ( adic tasta Cal nceteaz clipirea ). Dup ce se cltete electrodul cu ap distilat, apoi cu soluia de msurat, se introduce n soluia de msurat i se citete valoarea pe ecran. Dup utilizare, splai electrodul i introducei-l n ap distilat ( adugai puin detergent pentru a conserva mai bine suprafaa electrozilor de platin). 5.1.b. Modul de lucru pentru msurarea pH. Se va selecta gama de pH cu ajutorul tastei Mode. Afiajul va indica imediat valoarea msurat la etalonarea precedent. Pentru o nou etalonare, se apas tasta CAL. Se cltete electrodul cu ap distilat i se introduce ntr-unul din tampoane. Afiajul va indica unul dintre cele 9 tampoane din memorie, spre exemplu 4.01, n timp ce indicatorul pH de pe ecran clipete. Se alege cu ajutorul sgeilor tamponul corespunztor i se apas tasta Cal. Aparatul va arta tamponul msurat i se va calibra automat atunci cnd afiajul este stabil(indicaia Cal de pe ecran nu mai clipete). Se va clti electrodul cu ap distilat i se introduce n cel de-al doilea tampon. Afiajul va indica un nou tampon din memorie (de exemplu 9.18) n timp ce indicatorul pH de pe ecran clipete. Se alege tamponul corespunztor i se apas tasta Cal, etalonarea se face automat. Se cltete electrodul cu ap distilat i se introduce n soluia de msurat, apoi se citete direct valoarea de pe ecran.30

Dup folosire cltii totdeauna electrozii cu ap distilat i pstrai n soluie de KCl cu concentraie 3...4 M. 5.1.c. Modul de lucru pentru msurarea mV. Selecionai gama mV cu tasta Mode. Dup cltirea cu ap distilat se introduce electrodul n soluia de msurat i se citete valoarea pe ecran. Dup folosire se cltete cu ap distilat i se pstreaz n soluie KCl 3...4 M. Pentru toate modurile de lucru se poate folosi concomitent senzorul de temperatur. Aplicaie: 1) Se pregtete o soluie de KCl 1 n i o soluie de CH3COOH 1 n, n ap distilat. Apoi se vor prepara diluiile 0,1; 0,01; 0,001 i 0,0001 normal i se va determina conductivitatea si pH-ul lor. Datele se vor trece n urmtorul tabel. Se va reprezenta grafic conductivitatea n funcie de concentraie pentru fiecare soluie. Soluie Concentraia [n] [ G = cm] [ mS/ pH

-1

Siemens]

2) Se va calcula concentraia total de electrolii din plasm cunoscnd valoarea normal a rezistivitii electrice a plasmei, conform formulei de mai sus. Proteinemia se determin din tabelul 5 n funcie de densitatea plasmei.

6. STUDIUL UNEI PILE DE CONCENTRAIE31

Noiuni teoretice : Un electrod metalic introdus n soluie apoas ce conine ionii si va participa la o reacie redox de tipul : red z e- + ox , unde red - atomul neutru, z valena ionului, e sarcina electronului, ox ionul cu sarcina +z. ntruct electronii rmn n metal iar ionii trec n soluie, datorit atraciei electrostatice dintre ei, se formeaz la interfaa metal-soluie un strat dublu electric. Diferena de potenial datorit stratului dublu electric se opune trecerii unei noi cantiti de ioni n soluie. Sistemul ajunge la echilibru cnd tendina de trecere a ionilor n soluie datorit diferenei de potenial chimic ntre formele red i ox este anulat de tendina trecerii n sens opus datorit diferenei de potenial electric.

32

Fig.6.1. Formarea stratului dublu electric la suprafaa electrodului metalic

Se poate demonstra (avnd n vedere c potenialul chimic n faza metalic este egal cu potenialul standard) c potenialul electric al electrodului metalic n raport cu soluia se poate calcula cu formula:E = E0 + RT ln C ox , unde Cox este concentraia molar a ionilor n soluie, R zF

constanta universala a gazelor, T- temperatura absolut, z- valena ionului, F numrul lui Faraday (96500 C/mol) , E0 potenialul electric normal al electrodului (potenialul electric standard dac temperatura este 25C). Doi electrozi identici introdui n soluii de concentraii diferite, C1ox i C2ox, se vor ncrca la poteniale diferite, E1 i E2.33

E1 = E0 + E2 = E0 +

RT ln C1ox zF

RT ln C 2ox zF

La punerea n contact electric a celor dou soluii printr-o punte electrolitic (coninnd o sare ce disociaz n ioni cu mobiliti egale i deci nu produce potenial de difuziune) ntre cei doi electrozi apare o diferen de potenial electric, E: E = E2 E1 =C RT ln 2ox zF C1ox

Un astfel de dispozitiv se numete pila de concentraie datorit faptului c diferena de potenial electric este o consecin a diferenei de concentraie a ionilor n cele dou soluii. Cazul discutat mai sus se refer la trecerea n soluie a unor ioni pozitivi. Dac electrodul utilizat se comport reversibil n raport cu ionii negativi din soluie diferena de potenial se va calcula cu aceeai formul doar semnul va fi schimbat datorit schimbrii polaritii stratului dublu electric. n general se va putea scrie:

R T C2 E= ln z F C1Semnul + utilizndu-se pentru ionii pozitivi, iar - pentru ionii negativi. Trecndu-se la logaritmi zecimali se obine forma practic a formulei de mai sus:

E=

RT C 2 , 3 0 2 l g 2 (v o l tVi , ,) sau z F C1 R T C2 2 3 0 2 l g ( m i l i v, o l tVi ) m z F C1

E=

n cele ce urmeaz se va studia potenialul electric generat de o pil de concentraie a ionului C1- din soluiile de KCl, dispozitiv ce se apropie de comportamentul ideal.

34

Electrozii utilizai sunt fire de argint pe care s-a depus electrolitic un strat de AgCl (notai pe scurt electrozi Ag/AgCl) i care sunt reversibili n raport cu Cl-. Electrodul introdus n soluie mai diluat de KCl va trimite n faza apoas mai muli ioni Cl-, el ncrcndu-se la un potenial pozitiv n raport cu cel aflat n soluia mai concentrat. Diferena de potenial, masurat n mV, va fi: E = - 2302 E = 2302RT C 2 lg sau, dup rsturnarea fraciei: zF C1

RT C1 lg (mV). zF C 2

Msurarea diferenelor de potenial generate de pilele de concentraie nu poate fi fcut cu instrumente obinuite datorit faptului c acestea modific stratul dublu electric de la suprafaa electrozilor prin cantitatea mare de curent ce trebuie s le strbat. Din acest motiv se folosesc galvanometre sau milivoltmetre electronice care au rezistena de intrare suficient de mare. Materiale necesare Milivoltmetrul cu afisaj digital, 2 electrozi Ag/AgCl montai pe supori ce se pot deplasa vertical pe stative, 2 pahare Berzelius de 50 ml, fii de hrtie de filtru (ca puni electrolitice), soluie de KCl cu concentraia 12 moli/litru, cilindru gradat de 50 ml, ap distilat. Descrierea aparaturii Dispozitivul experimental este realizat pe dou stative verticale n lungul crora pot fi deplasate suporturile pe care sunt fixai cei doi electrozi i de care pot fi prinse cu cleme paharele Berzelius coninnd soluiile de lucru. Primul pahar Berzelius va conine soluia de KCl nediluat, de referin, cu concentraia pe care o vom nota C 1 i care rmne nemodificat pe tot cursul experienei. Al doilea pahar Berzelius va conine soluii de concentraie variabil, C2, obinute prin diluarea progresiv a soluiei de referin. Prin coborrea suporilor, electrozii El1 i El2 pot fi introdui n soluiile respective. Puntea electrolitic, P, dintre cele dou soluii este realizat cu o band de hrtie de filtru. Cablurile electrozilor El1 si El2 vor fi cuplate la bornele referin i respectiv, msurare ale milivoltmetrului sau pH-metrului. n cazul utilizrii unui pH-metru butonul de comutare mV-pH se va pune n poziia mV.35

Fig.6.2. Reprezentarea schematic a dispozitivului experimental concentraie.

pentru o pil de

Fig.6.3. Multimetre digitale utilizate pentru nregistrarea diferenei de potenial electric produs de o pil de concentraie.

Modul de lucru Se cupleaz milivoltmetrul la reea i se pornete urmrindu-se aprinderea ecranului de afiaj. Nu se va da importan valorilor indicate de aparat atta timp ct electrozii nu sunt introdui n soluie iar puntea electrolitic nu este instalat ntre cele dou vase cu soluie. n ambele pahare, dup ce n prealabil au fost splate cu ap distilat, se introduce soluie de concentraie C1. Paharul nr1 se va prinde cu o clema pe stativul din stnga,36

n el va fi introdus electrodul El1 i va fi meninut astfel pn la sfritul determinrilor. n paharul nr.2, prins de stativul din dreapta, va fi introdus electrodul El2 i cu o banda de hrtie de filtru se va face legtura cu vasul nr.1. Indicaiile aparatului se vor stabiliza ntr-un interval de timp 1-2 minute. Dac ntregul sistem funcioneaz corect diferena de potenial afiat de aparatul de msur este nul, sau difer cu cel mult 5 mV. Vom nota aceast valoare E1. n continuare, se poate scoate electrodul El2 din vasul nr2 i din soluia ce o conine se prepar, prin diluare , 50 ml soluie de concentraie C2 = C1/2 (25 ml soluie inial + 25 ml ap distilat). Aceasta se reintroduce n vasul nr.2 dup cltirea lui cu ap. Se repet msurarea diferenei de potenial obinndu-se valoarea E2. Se procedeaz ca i mai sus, n mai multe rnduri, dilund succesiv soluia din vasul nr.2, astfel nct s se obin valorile pentru potenialele E4, E8, E16, E32 ... corespunztoare unor soluii din vasul nr.2 de concentraii C1/4, C1/8, C1/16, C1/32,... Este foarte important ca la fiecare msurtoare s se schimbe puntea de hrtie de filtru dintre vase. Altfel exist riscul falsificrii rezultatelor prin modificarea concentraiilor din acest vas. Prezentarea rezultatelor i calcule:C2 C1/C2 lg C1/1 1 C1/2 2 0,301 C1/4 4 0,602 C1/8 8 0,903 C1/16 16 1,204 C1/32 32 1,505 C1/64 64 1,806 C1/128 128 2,107

C1 C2O

0,00 En(mV)

Se va reprezenta grafic dependena potenialului pilei de concentraie, E, n funcie de lg (C1/C2) trasndu-se dreapta care aproximeaz cel mai bine punctele obinute experimental. Cu ajutorul graficului se stabilesc valorile pentru panta experimental a dreptei ke: ke= E lg(C 1 /C 2 )

Ecuaia drepetei experimentale cu valorile astfel gsite se va scrie sub formula: E = E0 + ke lg (C1/C2) Aceast ecuaie va fi comparat cu cea teoretic:37

E = kt

.

lg (C1/C2) unde kt =

2 302 RT F

este panta teoretic pentru

msurtori fcute n mV. Astfel se poate aprecia ct de aproape de comportamentul ideal este pila studiat. Aceast apropiere este cu att mai mare cu ct E0 (potenialul datorit asimetriei n funcionarea electrozilor) este mai redus i cu ct panta experimental ke se apropie mai mult de valoarea calculat pentru panta teoretic kt.

38

III. PROPRIETI OPTICE ALE LICHIDELOR BIOLOGICE7. DETERMINAREA INDICELUI DE REFRACIE AL UNEI SOLUII CU AJUTORUL REFRACTOMETRULUI ABBE

Notiuni teoretice. Refracia luminii

reprezint fenomenul de trecere a undei

luminoase dintr-un mediu optic cu indicele de refracie n1 ntr-un alt mediu optic cu indicele de refracie n2, cu schimbarea direciei de propagare. Reprezentnd raza de inciden (1), raza refractat (2) i notnd: - i: unghiul de inciden, format de raza incident cu normala n punctul de inciden la suprafaa de separare dintre cele dou medii - r: unghiul de refracie, format de raza refractat cu normala, putem afirma c raza incident, raza refractat i normal la suprafa sunt coplanare i are loc relaia : n1 sin i = n2 sin r

Fig. 7.1. Fenomenul de reflexie, refracie i reflexie total a luminii.

Discuii: 1. dac n2>n1 atunci r < i; raza refractat se apropie de normal 2. dac n2i; raza refractat se deprteaz de normal 3. la suprafaa de separare dintre dou medii transparente au loc simultan fenomene de reflexie i de refracie a luminii.

39

4. atunci cnd n2 n1sin l = n2 Dac lumina trece din mediul 1 n mediul 2 i n1>n2 atunci exist relaia sin 1 = n2 / n1 , relaie ce poate servi la aflarea unuia din cei doi indici de refracie dac se cunoate cellalt i se msoar unghiul limit, 1. Pe acest principiu este construit refractometrul Abbe cu ajutorul cruia se poate citi direct indicele de refracie al unui lichid (dup ce s-a adus n dreptul unui reper fix zona de delimitare lumin ntuneric ce apare atunci cnd radiaiile se propag n condiiile refraciei la unghiul limit). Determinrile refractometrice ne dau informaii preioase i n legtur cu structura unor substane, cum ar fi de exemplu cele organice. Refracia specific i refracia molecular a unei substane sunt mrimi fizice importante care pot caracteriza din punct de vedere optic un lichid biologic. Ea se poate calcula cu ajutorul relaiei lui Lorenz: Rs=n 2 1 1 i n2 + 2 d

rm = rs M

n care n este indicele de refracie iar d este densitatea. Produsul dintre refracia specific i greutatea molecular M a unei substane se numete refracie molecular. Aceast mrime este i ea o caracteristic molecular a fiecrei substane, valoare ei depinznd de starea de agregare a substanei respective. Refracia molecular n cazul substanelor organice este egal cu suma refraciilor atomice i a refraciilor legturilor, precum i a grupelor coninute de molecul. Refractometria ca metod de lucru are urmtoarele avantaje: se lucreaz cu o cantitate infim de substan (1-2 picturi), este o metoda rapid i foarte precis (se poate citi indicele de refracie cu o precizie de 4 zecimale). Cunoscndu-se indicele de refracie, se poate determina concentraia soluiilor studiate( n cazul laboratorului clinic -concentraia proteinelor n lichidele biologice). Aparatura: Refractometrul de tip ABBE-Convex are urmtoarele pri componente: 1. Ocular, mrire optic 30X.40

2. Dispozitiv de deschidere/nchidere a prismei. 3. Oglinda reflectatoare. 4. Intrare pentru msurarea temperaturii apei de rcire (dac este cazul). 5. Intrare pentru luminarea prismei.

6. Intrare pentru sistem de termostatare.7. Prisma superioar. 8. Dispozitiv pentru controlul dispersiei. 9. Dispozitiv de ajustare msurare. 10. Buton pentru compensarea culorii. 11. Intrare pentru msurarea temperaturii probei cu termometrul digital. 12. Buton de calibrare. 13. Reglajul luminozitii scalei de msurare.

41

Fig. 7.2. Refractometrul ABBE, tip CONVEX.

42

Partea principal a refractometrului Abbe se compune din dou prisme, una pentru msurare i cealalt pentru iluminare, care se pot bloca cu ajutorul unui urub. Prin intermediul unui tambur se poate deplasa blocul prismelor astfel ca n cmpul vizual al lunetei s ne apar o imagine pe jumtate iluminat i a crei limit de separaie ntre zona iluminat i cea ntunecat s fie plasat exact la ncruciarea celor dou fire reticulare.Fig. 7.3. Aspectele privind punerea la punct (a) i citirea indicilor de refracie (b) pentru refractometrul Abbe.

Deoarece se lucreaz cu lumina alb (lumina policromatic) pentru a se nltura fenomenele de dispersie ce pot aprea (i care ar determina erori de msurare datorit imposibilitii obinerii unei limite de separaie nete) se utilizeaz o prism suplimentar care se poate roti cu ajutorul unui dispozitiv situat lateral, acest dispozitiv numindu-se compensator. Cu ajutorul lunetei se poate citi direct indicele de refracie al substanei studiate, dar i concentraia procentual.

Modul de lucru nainte de msurtoarea propriu zis trebuie fcute cteva teste de calibrare. Se deschide intrarea prismei superioare (5) i se nchide oglida reflectatoare (3). Se acioneaz tamburul de compensare a culorii (10) pn cnd culorile rou i albastru dispar complet. Metoda de calibrare utiliznd ap distilat: Se deschide prisma superioar, se pipeteaz 2-3 picturi de ap i apoi se nchide. Dac temperatura nregistrat este de 20C, indicele de refracie ar trebui s fie 1,3330. n caz contrar, se acioneaz tamburul (9) pn cnd scala indic valoarea menionat. De asemenea se acioneaz butonul de calibrare pn cnd limita de separare lumin-umbr corespunde cu intersecia firelor reticulare.

43

Calibrarea odat fcut, se poate proceda la msurtorile propriu zise, determinnd pentru diferite lichide biologice att indicele de refracie (cu precizie de patru zecimale) ct i concentraia procentual. Dac msurtoarea se face la temperaturi mai mari sau mai mici de 20C trebuie fcut o corecie a rezultatului. n tabelele urmtoare sunt trecute coreciile care trebuie fcute n funcie de temperatur i cteva valori ale indicelui de refracie pentru unele substane de referin.

n figura alturat sunt prezentate dou tipuri de refractometre portabile care permit msurtori rapide i uoare, ideale pentru determinarea concentraiei procentuale n scala Brix. Scala de msurare Brix arat concentraia procentual a unor substane solide dizolvate n ap, fiind calibrat la cantitatea de zahr (trestie de zahr) n grame, coninut n 100g de ap. Deci cnd se msoar o soluie care conine zahr, scala Brix indic exact concentraia real.

44

Calcule i prezentarea rezultatelor Odat citite valorile indicelui de refracie i ale concentraiei, cu ajutorul formulelor anterioare se calculeaz refracia molecular i refracia specific pentru fiecare prob. n cazul soluiilor proteice, concentraia se va determina din tabelele puse la dispoziie. Rezultatele se trec n tabelul urmtor: Nr. sol. n Concentraia proteine serice d (kg/m3) Refracia specific rs Refracia molecular rm

45

8.

DETERMINAREA

CONCENTRAIILOR

SOLUIILOR

OPTIC

ACTIVE CU POLARIMETRUL Noiuni teoretice Conform legilor electro-magnetismului o perturbaie electromagnetic aprut ntr-o regiune a spaiului devine izvorul altor perturbaii de aceeai natur n poriunile nvecinate n spaiu - apare astfel o und electromagnetic care se va propaga cu viteza luminii. Legile generale ale micrii ondulatorii se refer n aceeai msur att la undele longitudinale ct i la cele transversale. Vibraiile longitudinale sunt simetrice fa de direcia de propagare, adic aciunea lor asupra unui aparat receptor oarecare nu se schimb dac acest aparat este rotit n jurul direciei de propagare. n cadrul undelor transversale condiiile de aciune ale undei asupra aparatului pot fi diferite, dup cum vibraiile transversale direcia de propagare. Din teoria electromagnetic a luminii rezult ca undele luminoase sunt transversale. ntr-adevr, toate legile electromagnetismului duc la concluzia c variaia n timp a intensitii cmpului electric E este nsoit de apariia unui cmp magnetic-alternativ H , orientate perpendicular unul n raport cu cellalt. Un asemenea cmp electromagnetic alternativ nu rmne fix n spaiu, ci se propag cu viteza luminii de-a lungul unei linii perpendiculare pe vectorii E i H , genernd unde electromagnetice, unde de lumin. n felul acesta cei trei vectori H ,

sunt surprinse ntr-un plan sau ntr-altul, care trece prin

E i viteza de propagare v , sunt perpendiculari ntre ei, cu alte cuvinte direciilevectorilor E i H sunt perpediculare pe direcia de propagare, adic unda electromagnetic este transversal. n fiecare caz dat exist o anumit orientare i prin urmare raza luminoas nu reprezint axa de simetrie a undelor electromagnetice. O asemenea simetrie este caracteristic undelor transversale. Vom nelege prin lumina46

natural acea lumin n care vom ntlni toate orientrile posibile ale vectorului E ( i prin urmare i ale lui H ).

Lumina n care E , la fel i H i pstreaz o singur direcie, o vom numi lumina polarizat. Planul care trece prin direcia de propagare i care cuprinde vectorul electric, se numete plan de vibraie al luminii polarizate, iar planul n care se gsete vectorul magnetic i direcia de propagare se numete plan de polarizaie.

Fig. 8.1. Planurile de vibraie i de polarizaie in cazul luminii polarizate.

Fenomenul de polarizare al luminii, adic selecionarea undelor de lumin cu o anumit orientare a vectorului electric E, are loc prin reflexia sau refracia luminii la suprafaa de separare a doi dielectrici izotropi sau prin dubla refracie cnd lumina trece printr-un cristal anizotrop. Un sistem este izotrop dac toate proprietile sale sunt identice dup oricare din direciile spaiului, iar un sistem va fi anizotrop dac proprietile lui depind de direcia dup care are loc fenomenul. Noi vom studia dubla refracie (sau birefringena) ce are loc la trecerea luminii printr-un cristal de spat de Islanda (CaCO3) care cristalizeaz n sistemul romboedric. Dac pe un asemenea cristal cade un fascicul de lumin, dup refracie el va da natere la dou fascicule, avnd direcii diferite. Chiar dac unghiul de inciden este nul, fascicolul refractat este dublu. Raza care se propag n continuarea fascicolului incident se numete raza ordinar iar cea de a doua, raza extraordinar. Dac studiem cele doua raze emergente constatm c ambele sunt polarizate, i anume n planuri perpendiculare ntre ele.

47

E

H E

v

v Fig.8.2. Oscilaiile vectorului electric n cazul luminii plan -polarizate (sus) i circular polarizate (jos)

Fig.8.3 Polarizarea luminii prin spat de Islanda: cele dou prisme sunt lipite cu balsam de Canada, ansamblul constituind un NICOL; RO-Raza ordinar; RE-Raza extraordinar polarizat n planul figurii.

8.1. Metode optice care utilizeaz lumina polarizat Radiaia plan i circular polarizat Radiaia electromagnetic reprezint o und ai crei vectori electric (E) i magnetic (H) oscileaz perpendicular pe direcia de propagare i sunt orientai reciproc perpendicular. Frecvena oscilaiei, , reprezint numrul de oscilaii pe secund. Lumina nepolarizat sau natural conine cuante ai cror vectori au48

orientrile distribuite aleator, neexistnd un mod privilegiat de oscilaie. fiecare doar ntr-un singur plan.

Lumina

plan-polarizat este cea n care vectorul electric, respectiv magnetic, oscileaz Lumina circular polarizat are caracteristic faptul c vectorul electric, respectiv magnetic, rmn constani n modul dar descriu fiecare o traiectorie elicoidal (Fig.5), cu rotaii pe secund. Dup sensul n care vrful vectorului parcurge elicea (atunci cnd privim spre surs), lumina poate fi circular polarizat spre stnga (sens trigonometric sau antiorar) ori spre dreapta (sens antitrigonometric sau orar). Lumina plan-polarizat poate fi considerat ca fiind rezultatul compunerii vectoriale a dou unde coerente, cu aceeai amplitudine, circular-polarizate una spre stnga i una spre dreapta.

Importana studiilor n lumin polarizat Singura interaciune fizic care depinde explicit de asimetria structurii moleculelor este interaciunea cu radiaia polarizat. Asimetria structurii trebuie neleas n sens general, aici intrnd: asimetria distribuiei de sarcin (dipolii electrici permaneni); asimetria n dislocrile sarcinilor sub influena cmpului electric exterior (polarizabilitate asimetric); asimetria n micarea electronilor pe orbitalii de valen (atomi asimetrici); etc. n plus, fa de studiile n lumin nepolarizat, interaciunea luminii polarizate cu moleculele ofer informaii de natur geometric (orientare, distribuie, ordonare, suscesiune) asupra unor legturi sau zone din molecule. 8.2. Absorbia luminii polarizate Ca n orice metod de spectroscopie de absorbie, lungimile de und alese se afl n domeniile benzilor de absorbie ale legturilor. n cazul luminii polarizate, interaciunea vectorului electric va depinde de orientarea dipolilor absorbani i de geometria orbitalilor pe care sunt distribuii electronii n jurul atomilor. Absorbia luminii polarizate are particulariti exploatate49

de tehnicile de dicroism linear - n cazul utilizrii luminii plan polarizate i dicroism circular - n cazul celui circular polarizate. 8.2.1. Dicroismul linear (DL) reprezint fenomenul prin care o prob strbtut de o radiaie policromatic linear polarizat i schimb culoarea odat cu rotirea planului de polarizare. El se datorete absorbiei unor radiaii cu lungimi de und diferite, dac planul luminii polarizate i schimb orientarea fa moleculele aezate ordonat. Pentru punerea n eviden a DL este nevoie ca moleculele din prob s fie aranjate n acelai fel. Aranjamentul ordonat este aproape perfect n cristale, dar obinerea acestora, n cazul macromoleculelor, nu este o sarcin uoar. n dielectrici, o orientare bun poate fi obinut cu ajutorul cmpului electric, dac moleculele au momente dipolare. Rezult o aranjare mulumitoare a macromoleculelor fibrilare sau alungite n lichide n curgere sau prin perierea ntr-o singur direcie a unei soluii vscoase, pn se usuc. Existena dicroismului linear, i mrimea lui, dac moleculele sunt orientate preponderent cu dimensiunea mare n lungul unei axe, notate cu z, se exprim prin valoarea raportului dicroic, d.

EI I E d= EI I + Eunde E|| este extincia probei cnd planul luminii polarizate este paralel cu axa z, iar E este extincia gsit cnd planul luminii poalarizate este perpendicular pe axa z. Valorile diferite de zero ale raportului dicroic semnaleaz existena unor asimetrii moleculare, iar graficului d( ) poate furniza date asupra naturii acestor asimetrii (gruprile, legturile sau conformaiile ce o produc). DL este utilizat curent n scopul stabilirii orientrilor diferitelor legturi din structura moleculelor. n acest fel s-au putut descifra orientrile legturilor de hidrogen n structurile - helix (paralel cu axul lanului polipeptidic) i - foaie plisat (perpendicular pe lan).

50

DL poate fi observat i n UV, pentru lumina polarizat avnd absorbie 15 10 5 0 5 10 15 240 260 280 (nm) Fig. 8.4. Dicroismul circular la AMP. AMP (monomer)

din benzile de legturi aminoacizilor

ale ale poate

dublelor

conjugatepolimer nalt dimer

aromatici sau ale bazelor azotate. Astfel, fi determinat orientarea planurilor bazelor azotate fa de axele elicilor duble ale acizilor nucleici. 8.2.2. Dicroismul circular (DC) este fenomenul prin care radiaiile monocromatice, circular polarizate n sensuri opuse, sunt

absorbite diferit de ctre moleculele substanei. DC, la o lungime de und dat, se evalueaz, cel mai simplu, prin diferena dintre extinciile unei probe msurate pentru lumina circular polarizat spre stnga (EL) i spre dreapta (ER): E( ) = EL ER Exprimarea se poate face i pe baze molare, n funcie de coeficienii molari de extincie: ( ) = L

R

(M1cm1)

Fenomenul de absorbie n UV - VIS se datorete excitrii electronilor. n cazul structurilor asimetrice, ei oscileaz pe traiectorii elicoidale. Absorbia n vecintatea lungimii de und de rezonan ( o) va fi alta dac sensul elicii traiectoriei este acelai cu cel al elicii radiaiei considerat n sensul de propagare1, sau n sens contrar. De aceea DC se manifest intens n domeniile benzilor tranziiilor electronice. n funcie de lungimile de und la care | | are valori maxime se poate studia energetica legturilor, iar graficul lui ( ) d informaii asupra asimetriei distribuiei structurilor ce le conin.1

Trebuie notat c sensul rotirii elicii luminii circular polarizate, luat n sensul de propagare, este invers celui considerat uzual, adic atunci cnd privim spre surs.

51

Fiecare band de DC este sensibil att la strucura macromoleculelor, ct i la toi factorii care interacioneaz cu tranziiile electronilor din legturi. (Fig. 6) 8.3. Rotirea planului luminii polarizate este rezultatul activitii optice a unor substane care au molecule asimetrice. Activitatea optic se studiaz, de obicei, n domenii spectrale ndeprtate de benzile de absorie ale substanelor. Deci ea nu se datorete absorbiei luminii ci se explic prin vitezele de propagare diferit a radiaiilor circular polarizate n sensuri opuse. Asimetria molecular cea mai rspndit este cea datorit atomilor de carbon asimetrici. n cazul macromoleculelor, asimetria se poate datora i structurilor secundare (elici rotite spre dreapta sau stnga) sau teriare, cnd radicali simetrici se plaseaz n medii asimetrice - cu cmpuri locale intense. Rotirea planului luminii polarizate apare ca urmare a faptului c, n zonele asimetrice, electronii execut micri pe traiectorii elicodale ce pot fi rsucite - fie spre stnga, fie spre dreapta. Considernd c lumina plan-polarizat este compus din dou componente circular polarizate n sensuri opuse, propagarea uneia va fi favorizat fa de cealalt. Vitezele celor dou componente ntr-un astfel de mediu vor fi inegale i, la ieire, cei doi vectori electrici vor avea ntrzieri diferite. n final, rezultanta compunerii lor va fi rotit fa de poziia ce o avea la intrarea n mediu. Activitatea optic a polimerilor difer de cea a monomerilor din care provin i este posibil ca un polimer, datorit structurii sale, s aib activitate optic fr a conine momomeri optic activi. 8.3.1. Dispersia optic rotatorie (DOR) este fenomenul de dependen a unghiului de rotaie specific [ ]( ), de lungimea de und, , a radiaiei planpolarizate. Cu alte cuvinte, dac un fascicol de lumin policromatic, polarizat, strbate o prob, componentele monocromatice ale fascicolului le vom gsi rotite fiecare cu un alt unghi (dispersate rotator). Efectele rotatorii se manifest pn departe de lungimile de und benzilor de absorbie. Deci acolo unde absorbia luminii i DC sunt absente. Graficele DOR, ca i cele DC, depind de asimetria local a zonelor n care se afl electronii ce pot executa tranziii. Scopul trasrii lor este de a identifica i52

ale

explora astfel de zone, interaciunile dintre ele, sau susceptibilitatea lor la factorii de mediu.

[ ] helix + foaie plisata

0

200lizina .

ghem haotic 220 240 (nm)

F ig.8.4.1D ispersia optica rotatorie la-L. poli

Principiul lucrrii: Cu ajutorul luminii polarizate se pot

determina rapid i destul de exact, n laboratorul clinic, concentraiile unor soluii ale cror substane au proprietatea de a roti planul de polarizare al luminii. Substanele care au aceast proprietate se numesc optic-active i se mpart, n fucie de sensul n care rotesc planul luminii polarizate, n: levogire, cele care rotesc planul luminii polarizate nspre stnga, se noteaz cu semnul minus;dextrogire, cele care-l rotesc nspe dreapta, se noteaz cu semnul plus. Proprietatea aceasta de a roti planul luminii polarizate se datorete structurii asimetrice a substanelor organice de obicei, coninnd unul sau mai muli atomi de carbon aezai asimetric (un atom de carbon cu cele patru valente satisfcute de patru radicali diferii). n cazul soluiilor preparate cu ajutorul unei substane optic active, unghiul

cu53

care va fi rotit planul luminii polarizate va depinde de urmtorii factori: de

concentraia soluiei,C deci de densitatea d a soluiei, de grosimea stratului de lichid strbtut de lumina polarizat x(dm), de lungimea de und a luminii utilizate, precum i de temperatura soluiei. Lumina polarizat se obine cu ajutorul unui cristal anizotrop care prezint fenomenul de birefrigen. Totodat, unghiul cu care este rotit planul de polarizare mai depinde i de natura substanei componente a soluiei, caracterizat cu ajutorul mrimii [ ] care se mai numete unghi de rotaie specific. Deoarece rotaia specific variaz cu temperatura i cu lungimea de und a luminii, s-a convenit ca s se standardizeze pentru lumina galben a sodiului i pentru temperatura +20C, aceast valoare standard notndu-se cu [ ] 20 . Deci o soluie va roti planul de polarizare al luminii cu unghiulN a

i care are valoarea:

=

[ ]

Na d x c 20 100

formula care permite aflarea concentraiei soluiei studiate. Aparatur Aparatul cu ajutorul cruia se determin unghiul cu care este rotit planul luminii polarizate se numete polarimetru i este compus, n principiu, din urmtoarele pri: o surs de lumin S, un nicol polarizator NP, un tub T n care se pune soluia de analizat, un nicol analizator NA mobil, care se poate roti la dreapta sau la stnga (corespunztor substanelor dextrogire sau levogire) i care este cuplat la un dispozitiv mecanic de citire a unghiului

prevzut cu un vernier circular sau ocular

D, n care observatorului i apare cmpul ocular CO ce are o zon vertical central ZC. Nicolii sunt astfel construii nct raza ordinar RO care apare n urma fenomenului de birefrigen s se reflecte total pe suprafaa ce separ prismele nicolului.

54

Fig.8.6 Schema polarimetrului.

Fig. 8.7. Polarimetrul Polaris pri componente: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. Ocular Lupa pentru citirea valorii unghiului de rotaie urub de control urub pentru focalizare. Scala i vernierul pentru citirea unghiului de rotaie Compartiment n care se introduce tubul cu proba Filtru de sticl Lampa de sodium Comutator de pornire oprire.55

Mod de lucru: n lucrarea de fa vom studia concentraia n glucoz a unor soluii dup formula urmtoare:100 C= [] Na d x c n % 20

Pentru msurarea unghiului se procedez astfel: Se umple tubul T cu ap distilat astfel nct s nu conin bule de aer i se terg ferestrele de sticl de la capetele tubului pentru ca imaginea s se vad n bune condiii. Se introduce apoi tubul n polarimetru i se rotete nicolul analizor cu ajutorul urubului micrometric pn ce zona central ZC apare egal ntunecat cu cele dou cmpuri laterale. Deci se lucreaz n condiiile extinciei maxime ce se obine atunci cnd cei doi nicoli ai polarimetrului sunt aezai n cruce. Se citete unghiul iniial, notat cu , cu o precizie de 0,05 utiliznd vernierul cu care este prevzut aparatul. Se nlocuiete apa din tub cu soluia de analizat, se realizeaz prin rotirea urubului micrometric o iluminare uniform a cmpului CO. Se citete noul unghi indicat de aparat, notat cu . Observaie. Operaiile de egalizare a cmpului i de citire a unghiului se realizeaz att pentru soluie ct i pentru ap de cel puin 5ori, n calcule lundu-se media valorilor unghiurilor, notate .

56

a.

b.

Nicoli paraleli

Nicoli n cruce

Fig.8.8.a) Mersul razelor de lumina prin polarimetru cnd nicolii sunt aezai n cruce. b) Aspectul cmpului luminos observat prin polarimetru n fucie de poziia nicolului analizator n raport cu cel polarizator.

Fig. 8.9. Citirea unghiului cu ajutorul vernierului circular.

x = 0,30 = 1,30

= 1 + x

57

Calcule i prezentarea rezultatelor Cunoscnd valorile pentru unghiurile medii i , se calculeaz unghiul cu care rotete soluia planul luminii polarizate astfel: =

Apoi, se calculeaz concentraia procentual a soluiei, care n cazul de fa este glucoza pentu care [ ] 2 = 52.8. 0 La efectuarea calculelor se va ine cont c n formula de mai sus, densitatea d este msurat n g/cm3 iar lungimea stratului de soluie (a tubului ce o conine) , x, este exprimat n decimetri (dm). Rezultatele obinute se trec n tabelul urmtor: Soluia GlucozaN a N a

[ ] 20

x (dm) 1

d (g/cm3)

C (g%)

52.8

58

9. MICROSCOPIA OPTIC 9.1. Studiul microscopului optic. Microscopul optic este utilizat att n domeniul cercetrilor medicale ct i n analize uzuale de laborator. Acest instrument optic poate da imagini clare ale unor formaiuni celulare cu dimensiuni pn la aproximativ 0,15 m. Determinarea acestor dimensiuni are o importan deosebit n explorrile clinice i de laborator. Cu ajutorul microscopului optic se pot face analize ale lichidului cefalorahidian (LCR), a urinii, a sngelui etc. Exemplu: Departajnd eritrocitele n funcie de diametrul lor mediu, se obine curba Prince-Jones pentru snge nomal, iar comparativ cu acesta se pot depista diferite afeciuni. Instrumentele optice dau imagini clare, n care se pot distinge amnunte ce nu pot fi observate cu ochiul liber. Din punct de vedere tehnic un instrument optic este un asamblu de lentile, oglinzi i diafragme, axele optice ale prismelor trebuind s coincid cu axul geometric al instrumentului. n funcie de natura imaginii, instrumentele optice se mpart n: -instrumente optice cu imagini reale cum sunt ochiul, aparatul fotografic, aparatul de protecie; -instrumente optice care dau imagini virtuale i sunt folosite pentru examinarea direct a obiectivelor; astfel de instrumente sunt: luneta, microscopul optic, lupa. Microscopul optic este destinat observrii unor probe (frotiuri) a cror dimensiuni pot atinge 0,15m. Acest instrument are trei pri principale: mecanic, optic i dispozitiv de iluminare. 9.2. Componentele unui microscop cu lumin transmis Principiul care st la baza construciei oricrui microscop l constituie proprietatea lentilelor optice de a produce refracia razelor luminoase care le traverseaz, formnd astfel o imagine real sau virtual. La microscopul optic,59

obiectivul formeaz o imagine mrit, real i inversat specimenului. Ocularul preia aceast imagine i o transform ntr-o imagine mrit, virtual i dreapt n raport cu prima. Astfel, imaginea final dat de microscop este virtual, rsturnat i mrit. 9.3.Componentele mecanice ale microscopului Microscoapele optice moderne sunt alctuite dintr-o parte mecanic ce cuprinde: piciorul microscopului, msua sau platina cu sistemele ei de deplasare a preparatului i tubul microscopului, care poate fi deplasat n plan vertical cu ajutorul unor angrenaje. Piciorul sau talpa microscopului, este o component care confer stabilitate aparatului. La microscoapele moderne talpa microscopului se afl ncorporat n sursa de lumin. Coloana sau mnerul- microscopul se articuleaz fix sau mobil cu piciorul. Msua sau platina, perpendicular pe coloan, servete ca suport pentru preparat. Acesta din urm se imobilizeaz pe platin prin dou lame metalice numite valei sau cavaleri. Platina este prevzut cu un dispozitiv special numit car mobil care, acionat de dou uruburi coaxiale, permite deplasarea fin a preparatului. Tubul microscopului are la partea superioar ocularele, iar la partea inferioar, revolverul cu obiectivele. La microscoapele moderne, n tubul optic se afl interpus lupa binocular, care conine un sistem de prisme pentru distribuirea imaginii la cele dou oculare. Revolverul, format din dou discuri metalice suprapuse, cel inferior mobil, aduce prin rotirea obiectivului dorit n axul optic. Dispozitivul de punere la punct a imaginii este alctuit din viza macrometric care se folosete pentru prinderea grosier a imaginii; iar viza micrometric prin micri fine, permite clasificarea imaginii.

60

Vizorul Obiective Buton reglare fina imagine Buton pornit/ oprit Suportul Diafragma Baza de susinere Corpul vizorului Obiective finale Suport prindere cu lamele Dispozitiv fixare imagine Buton reglare imagine Orificiu ( deschidere ) Bra Sursa de luminaFig.9.3. Microscopul optic

9.4.Componentele optice ale microscopului Aceste componente cuprind piese de calitatea crora depind performanele ce pot fi obinute n examinarea unui preparat. Aceast component este alctuit din oculare, obiective i sistemul de iluminare. Obiectivele sunt constituite dintr-un sistem de lentile care sunt destinate s funcioneze n imediata vecintate a preparatului. Singura lentil care formeaz imaginea se afl la partea inferioar a obiectivului i se numete lentila frontal. Distana dintre ea i suprafaa preparatului reprezint distana frontal i este cu att mai mic cu ct obiectivul folosit are o putere mai mare de mrire. Celelalte lentile din obiectiv au rolul de a corecta aberaiile optice produse de lentila frontal. n general, obiectivele care se folosesc cel mai frecvent la microscoape au puterea de mrire de: 6x, 10x, 20x, 40x, 60x, 90x, 100x, aceasta fiind gravat pe suprafaa cilindrului. Obiectivele au putere de mrire mai mic (pn la 40x) se numesc obiective uscate pentru ca mediul interpus ntre lentila frontal i preparat este aerul. Obiectivele cu putere mare de mrire (60x, 90x, 100x), cu care se lucreaz foarte aproape de preparat, se numesc obiective cu imersie deoarece spaiul dintre61

lentila frontal i preparat este ocupat de un lichid (ulei de cedru, glicerin, uleiul de parafin) n care este imersat vrful apropiat cu al sticlei port preparat i, prin folosirea lor, se elimin n mare masur refracia n afara suprafeei lentilei frontale a razelor de lumin care ilumineaz preparatul. Ca urmare imaginea observat va ctiga n luminozitate i claritate.

Fig.9.4. Obiective oculare. i

Ocularele se afl dispuse la partea superioar a lupei binocular, fiind formate fiecare, din dou lentile plan convexe ce formeaz o imagine mrit, dreapta i virtual. Pentru observare se folosesc de obicei oculare cu putere mic de mrire (7x,10x), deoarece rolul lor este de a distinge detaliile fine date de obiectiv i mai puin de a mri aceast imagine. Gradul de mrire a imaginii finale date de microscop poate fi modificat prin schimbarea obiectivelor i ocularelor i se calculeaz fcnd produsul dintre puterea de mrire a ocularului i a obiectivului. Formula pentru grosisment i putere de separare Exemplu: ocular 10x; obiectiv 20x; marire: 20 X 10=200.62

Aceast valoare d puterea de mrire total sau grosismentul microscopului. Sistemul de iluminare, la microscoapele moderne, se afl ncorporat n talp i este reprezentat de un bec de 6V sau 12V. Tot aici se afl i un sistem special pentru controlul fluxului n axul fluxului de lumin. Lumina este orientat n axul optic al microscopului de ctre o oglind plan dispus oblic n dreptul unui orificiu care se afl sub platin. nclinaia oglinzii poate fi reglat cu dou uruburi. Sub platin, prins de coloana microscopului se afl condensorul, care are rolul de a concentra razele de lumin ntr-un focar ce coincide cu planul preparatului. Unghiul luminii care intr n condensor se regleaz cu ajutorul diafragmei iris, dispus n montura condensorului, sub lentile. Condensorul poate fi ridicat sau cobort, cu ajutorul unei vize dispus sub platin. 9.5.Cum se prinde imaginea la un microscop optic obinuit ? Prinderea imaginii i observarea sa la un microscop optic obinuit se face relativ simplu i nu necesit cunotine speciale de mecanic fin sau de alt natur. Pentru evitarea unor eecuri, inerente la un nceptor, precum i a obine o imagine corect i apropiat calitativ de performanele maxime ale aparatului, toate manevrele trebuie s fie executate ntr-o anumit ordine: 1. Se aeaz lama cu preparatul de cercetat pe platin i se prinde cu valeii. Este foarte important ca lama s fie aezat n aa fel nct preparatul s fie orientat n sus. n caz contrar nu se va putea prinde imaginea cu obiective mai mari de 40x. 2. Privind lateral se aduce preparatul n axul optic prin manevra carului mobil. Axul optic coincide cu punctul de lumin dat de condensatorul ridicat n prealabil n poziia maxim. Dup efectuarea acestei operaii, condensatorul se coboar la o poziie intermediar. 3.Se aduce obiectivul 10x n axul optic al microscopului prin rotirea revolverului. Cnd obiectivul ajunge n ax, rotirea revolverului ntmpin o uoar rezisten. Este bine ca ntotdeauna observarea unui preparat s nceap prin folosirea obiectivului 10x, deoarece acesta d o imagine de ansamblu a preparatului, permind totodat selectarea unei zone din preparat care urmeaz a fi observat apoi de mriri mai mari.63

4. Dei imaginea nu a fost nc prins, se poate stabili n aceast etap, distana pupilar prin manevrarea lupei binocular. 5. Privind lateral, se coboar obiectivul pn n poziia inferioar. Aceasta se afl la civa mm de suprafaa preparatului. Privind apoi n microscop, se ridic obiectivul cu viza macrometric pn se prinde imaginea. Apoi, claritatea imaginii se regleaz prin manevra vizei micrometrice, iar gradul de luminozitate al cmpului se regleaz prin ridicarea sau coborrea condensorului. 6. Pentru observarea unor detalii ale preparatului, se introduce n axul optic un obiectiv cu puterea de mrire mai mare. Pentru fiecare obiectiv imaginea se prinde prin ridicarea acestuia fa de preparat pentru a evita lovirea accidental a lentilei frontale de lama port preparat. n cazul folosirii unui obiectiv cu imersie, se pune pe lamela care acoper preparatul o pictur de ulei de imersie i se coboar apoi obiectivul pn ce vrful su atinge pictura. Aceast operaie se face privind lateral. Imaginea se prinde apoi, privind cu atenie n microscop, prin coborrea foarte fin a obiectivului cu viza macrometric. Odat obinut imaginea, claritatea se menine prin manevra continu a vizei micrometrice. Pentru a avea o iluminare corespunztoare, condensorul va fi ridicat la maximum. 7. Dup ncheierea observrii, microscopul se las n repaus cu obiectivul 10x n axul optic i se acoper pentru a fi ferit de praf. Se verific dac s-a efectuat deconectarea de la reeaua de curent electric. n cazul ntrebuinrii obiectivului cu imersie, acesta se terge cu uleiul de imersie prin trecerea degetului deasupra lentilei frontale. Periodic acest obiectiv se cur cu o batist de finet umezit ntr-o soluie de alcool etilic-aceton (1:1). Se va evita folosirea n acest scop a hidrocarburilor (xilen, benzen, toluen) pentru ca aceasta va dizolva rina special n care este montat lentila frontal a obiectivului.

Modul de lucru: 9.5. a) Etalonarea riglei gradate a ocularului. Microscopul este dotat cu o reea ajuttoare micrometric gradat astfel nct pe poriunea vizibil cu ochiul liber gradaiile reprezint 0,1 respectiv 0,5 mm. Pe poriunea central rigla este divizat n64

zecimi de mm. Etalonarea riglei ocularului se face n felul urmtor: se vizualizeaz concomitent att reeaua micrometric de pe lam ct i rigla micrometric a ocularului astfel nct s se poat numra cte diviziuni de pe reea corespund unei singure diviziuni de pe rigl. Apoi cu o regul de trei simpl se poate calcula care este fraciunea dintr-un mm care corespunde unei diviziuni de pe rigla ocularului. 9.5. b) Determinarea dimensiunii unor preparate. Odat ce a fost fcut etalonarea riglei, reeaua micrometric ajuttoare poate fi nlturat. n locul ei se fixeaz pe msua microscopului diverse preparate. Prima dat se ncearc vizualizarea unui fir de pr, fixat cu o lamel pe o lam curat. Odat pus la punct imaginea, rigla ocularului se suprapune peste grosimea firului de pr numrndu-se cte diviziuni corespund acestei dimensiuni. Apoi, acest numr de diviziuni se nmulete cu valoarea aflat anterior prin regula de trei simpl, obinndu-se dimensiunea n mm a grosimii firului de pr. Apoi se vizualizeaz alte preparate puse la dispoziie, fixate pe lame: ou de parazit, preparate histologice.Elementul Studiat Diviziuni coresp.element. reelei Valoarea diviziuni microm. mm. unei Diviziuni coresp.dimensi. preparatului. mm mm Dimensiunea preparatului. Dimensiunea prepartului medie

Ou de parazit

6,5

0,0307

3,53 4,5

0,1075 0,0921 0,1381

0,1128

Grosismentul- reprezint raportul dintre tangenta unghiului sub care se vede imaginea prin instrument i tangenta unghiului sub care se vede obiectul atunci cnd este privit cu ochiul liber sau altfel spus, raportul dintre diametrul aparent al imaginii i cel al obiectului aezat la distana optim de vedere clar -care pentru un ochi normal are valoarea 25 cm.tg 2 P = P. = tg 1 4

G=

sau G= Gob Goc

Puterea separatoare sau de rezoluie : este capacitatea microscopului de a forma imagini distincte a dou puncte vecine ale obiectului. Aceast mrime, depinde65

de aberaiile sferice i de fenomenul de difracie a luminii care traverseaz instrumentul. Putem mri valoarea l/ prin mrirea lui n, folosind observarea prin imersie, n care ntre Ob (de 90X) i prob se pune o pictur de ulei de cedru.=1,22 2n sin u

unde: l/ =putere separatoare = lungime de und a radiaiei folosite n = indicele de refracie al mediului dintre Ob i Oc. u = unghiul de apertur, format de razele extreme. n. sin u = apertur numeric, este nscris pe obiectiv alturi de mrirea sa. Modul de lucru: Determinarea grosismentului i a coeficientului micrometric. Micrometrul obiectiv