Tensiunea superficială a lichidelor biologice

Măsurarea coeficientului de tensiune superficială al lichidelor biologice cu ajytorul stalagometrului Traube.Intenția acestei teme este de a prezenta cîteva aspecte teoretice privind fenomenul de tensiune superficială. Valoarea coeficientului de tensiune superficială, ca mărime fizică prin care se pot caracteriza lichidele biologice, poate fi influentsată de o serie de procese patologice sau de prezența unor substanțe și ,la rindul său, poate influența desfășurarea unor procese de viață.

Date teoretice privind fenomenele de tensiune superficială:Forțele de tensiune superficială iau naștere ca urmare a interacțiunii moleculelor la limita dintre două faze, tinzînd să micșoreze suprefața de contract. Ele acționează tangențial la suprafața liberă și perpendicular pe conturul acesteia.În cazul de față ne interesează forțele de tensiune superficială care apar la limita dintre o fază lichidă și aer. Mărimea acestora este proporțională cu lungimea L a conturului pe care acționează,

prin intermediul unei constante de proporționalitate σ (sigma) , numită coeficient de tensiune superficială:

F= σ . L (1)Coeficientul de tensiune superficială este o constantă de material a cărei valoare este condiționată de natura celor 2 faze aflate în contact, concentrația lor, gradul de dispersie, temperatură, precum și de eventuala acțiune a diferiți agenți fizici sau chimici.

Din relația (1) se deduce ecuația de definiție a coeficientului de tensiune superficială:

σ= F / L (2)Unde F reprezintă forțe de tensiune superficială ți L lungimea conturului suprafeței libere a lichidului asupra cărui acționează.Cînd L=1 rezultă =F, sau cu alte cuvinte, coeficientul de tensiune superficială este numeric egal cu valoarea forțelor de tensiune superficială care acționează normal pe unitatea de lungime a conturului suprafeței libere (interfazică).Coeficientul de tensiune superficială se poate defini și prin relația:

σ= ▲W / ▲S (3)unde W reprezintă variația energiei libere, iar ▲S variația de suprafață a stratului interfacial. Rezultă în acest caz că valoarea coeficientului de tensiune supercefială este egală cu valoarea lucrului mecanic consumat pentru micșorarea suprafeței libere a lichidului cu o unitate.Ecuația dimensională a coeficientului de tensiune superficială dedusă din relația (2) are următorul aspect:

[σ] = M*L/T 2 = M*T-2 (4) LUnitatea de măsură ale coeficientului de tensiune superficială exprimate în SI se obțin înlocuind în relațiile (2 și 3) mărimile fizice prezentate prin unitățile lor de măsură în același sistem:

[σ]SI =N/m [σ]SI =joule/m2 (5)

Utilizînd unitățile sistemului CGS rezultă:

[σ]CGS =dine / cm [σ]CGS =ergi/cm2 (6)

Unitățile SI și CGS ale coeficientului de tensiune superficială sînt unități derivate și se definesc după cum urmează :

N/m (newton pe metru) sau dine/cm reprezintă coefientul de tensiune superficială al unui lichid în cazul căruia se exercită tangențial o forță unitară care acționează normal pe unitatea de lungime a conturului suprafeței libere a lichidului (aflat în contact cu aerul); 1N/m= 103

dine/cm.

Joule/m2 sau ergi/cm2 reprezintă coeficientul de tensiune superficială al unui lichid în cazul căruia forțele superficiale efectuiază un lucru mecanic unitar pentru a micșora mărimea suprafeței libere a lichidului cu o unitate; 1J /m2 =103 ergi/cm2 .

Metodele de măsurare a coeficientului de tensiune superficială al lechidelor se clasifică in metode statice și metode dinamice.

Metodele dinamice măsoară coeficientul de tensiune superficială la suprafața proaspătă a unui lichid și sunt mai potrivite pentru soluții.printre acestea manționăm metoda stalagmometrică (metoda picăturilor ca se desprind de la extrimitatea unui tub) , metoda care apreciază oscilațiile de formă ale unei picături etc.

Se folosesc diferite tipuri de aparatepentru măsurarea coeficientului de tensiune superficială, precum : stalagmometrul Traube, stalagmometrul Alioșin, tensiometre care au la bază o balanță de tensiune, dispozitivul dr.Baran-ing. Bîrjoianu, inclusiv aparate electonice etc.

Inportanța pentru practica medicală a determinării coeficientului de tensiune superficială:

Lichidele biologice, fiind reprezentate în general de soluții saline apoase , au un coeficient de tensiune superficială mai mic decit al apei distilate. Conform legii lui Gibbs proteinele, ca substanță care coboară coeficientul de tensiune superficială se concentrează la suprafața acestor lichide în straturi monomoleculare care jocă un rol deosebit în schimbul de substanțe la nivelul celulelor și capelalelor.

Coeficientul de tensiune superficială al serului sanguin la temperatura corpului este în jurul valorii de 67dine/cm. În cazul păstrării scade în timp datorită acumulării proteinelor la suprafața liberă. Valoarea normală este modificată de prezența unor substanțe sau de existența unor procese patologice (icter, neoplazii, etc.)

Uria normală prezintă un coeficient de tensiune superficială situat în jurul valorii de 70dine/cm. Existența sărurilor acizilor biliari,precum și a acestora, coboară foarte mult valoarea coeficientului de tensiune superficială ceea ce permite detectarea comodă a prezenței lor.

Coeficientul de tensiune superficială al bilei la 200 C este de aproximativ 44 dine/cm, iar al plasmei oxalate de aproximativ 75 dine/cm.

Pe baza fenomenului de tensiune superficială este construit picurătorul Duclaux sau pipeta picătoare, utilizat pentru dozarea unor substanțe medicamentoase la administrare.

Măsurarea coeficientului de tensiune superficială al lichidelorr biologice cu ajutoruul stalagometrului Traube.

Metoda stalagmometrică, ca și metoda anterioară, este o metodă indirectă, deoarece valoarea coeficientului de tensiune superficială se obține cu ajutorul unei relații de calcul, și în acelashi

timp relativă, ca urmare a faptului că valoarea determinată pentru produsul de cercetat se exprimă în comparație cu valoarea coeficientului de tensiune superficială al apei distilate la temperatura de lucru,ca lichid de referință.

Principiul metodei

Metoda folosește stalagnometrul lui Traube a cărui construcție se bazează pe legea Tate care arată că o piătură de lichid se desprinde de la extremitatea inferioară a unui capilar orientat vertical atunci cînd greutatea ei egalează forțele de tensiune superficială ce se exercită tangențial pe conturul de implantare al picăturii la extremitatea capilarului.

Adică: G=F (13)

unde : greutatea picăturii = G = m.g. = v. ϱ . g

forțele de tensiune superficială = F = 2 π . r . σ

În relațiile de mai sus s-au făcut următoarele convenții:

v- volumul undei picături, ϱ – densitatea lichidului, σ – coeficientul de tensiune superficială a lichidului, g – accelerația gravitațională, r – raza conturului de implantare al picăturii = raza capilarului.

Considerînd că din volumul V al rezervorului stalagmometrului ia naștere un număr de n picături rezultă egalitatea:

V/n * ϱ * g = 2 π * r * σ (14)

Particularizînd această relație pentru lichidul de cercetat ( x ) și pentru lichidul de referință (a), avem :

( a ) Va /na = ϱa * g = 2 π r * σa ( 15 )

( x ) Vx /nx = ϱx * g = 2 π r * σx ( 16 )

Cu condiția Va = Vx = V , satisfăcută ca urmare a utilizării aceluiași apart atît în cazul lichidului de cercetat, cît și în cazul apei distilate, prin raportarea relației (15) la(16) rezultă:

nx / na = σa / σx * ϱx / ϱa ( 17 )

Ultima egalitate exprimă principiul metodei și arată că numărul de picături care ia naștere dintr-un același volum a două lichide diferite este invers proporțional cu valoarea densității absolute a acestora, cind conturul de implantare al picăturilor este același.

Descrierea dispozitivului :

Stalagmometrul Traube este reprezentat de un capilar dispus vertical într-un stativ, care prezintă în porțiunea mijlocie un rezervor cu volum V delimitat cu un reper superior și unul inferior, în raport cu care se găsesc marcate deasupra și, respectiv, dedesupt cîte 40 diviziuni egale. La extremitatea superioară se găsește atașat un tub de cauciuc cu ajutorul căruia se aspiră lichid în stalagmometrul pe la partea inferioară folosind o seringă.

Materiale necesare:

Stalagometrul Traube prevăzut cu tub de cauciuc și seringă la partea superioară și montat într-un stativ;

Două pahare Berzelius, unul pentru apă distilată și celălalt pentru lichid de cercetat;

Lichid de cercetat (urină);

Apă distilată (ca lichid de referință);

Termometru pentru controlul temperaturii;

Condiții de lucru cerute de metodă;

Scurgerea liberă a lichidelor din stalagmometru;

Absența vibrațiilor;

Temperatură constantă și cunoscută ( determinările de precizie necesită termostatare);

Spațiul unde se află stalagmometrul în timpul lucrului să fie saturat cu vaporii lichidului aflat în stalagmometru;

Absența agenților tensioactivi în spațiul de lucru;

Stalagmometrul trebuie să fie absolut curat ți spălat între determinările efectuate cu lichid de cercetat și, respectiv, lichid de referință.

Tehnica lucru și obținerea rezultatelor experimentale:

Practic se rezumă la determinarea numărului de picături care iau naștere din volumul V al rezervorului stalagmometrului (delimitat de reperele superior și inferior) în cazul lichidului de

cercetat și în cazul lichidului de referință (apa distilată), la aceeashi temperatură ( cunoscută) și în aceleashi condiții de mediu.

Comportă doi timpi de lucru corespunzător lichidului de cercetat (urină) și apei distilate, efectuinduse în ordine următoarele operațiuni:

Din sticla aflată pe masă se pun 10-15 cm3 de lichid (apă distilată sau lichid de cercetat) într-un pahar Berzelius;

Se aspiră lichid în stalagmometrul pe la extremitatea inferioară I cu ajutorul seringei atașată la extremitatea superioară S pînă undeva deasupra reperelui ”o” al scalei gradate situată deasupra rezervorului V;

Nivelul de lichid se alege astfel încît să se asigure disprinderea unei picături în momentul cînd nivelul lichidului se află în partea de sus a scalei gradate superioare (să presupunem la diviziunea ”3”);

Se reține nivelul lichidului în momentul cînd se disprinde prin cădere liberă următoarea picătură ( să presupunem la diviziunea ”25”);

Se numără toate picăturele care iau naștere pînă cînd desprinderea unei picături are loc nivelul de lichid ajunge undeva în scala inferioară (să presupunem diviziunea ”9” din scala inferioară, pînă la care au luat naștere 45 picături întregi);

După cîteva exerciții se efectuiază cîte 10 măsurări pentru apă distilată și respectiv 10 măsurări pentru lichidul cercetat, rezultînd 10 prechi de valori care se dispun în tabelul de date în ordinea în care au rezultat;

Se măsoară temperatura de lucru și se reține valoarea găsită.

Reacția de calcul:

Din reacția de principiu a metodei (17) derivăm imediat relația de calcul:

σx = σa na / nx * ϱx / ϱa ( 18 )

valabilitatea acestei reacții, conform mudului de deducere, necesită îndeplinirea a două condiții, care de altfel sînt asigurate de aparat:

Același volum din care iau naștere picăturile atît pentru lichidul de cercetat, cît și pentru lichidul de referință (volumul V al rezervorului stamagmometrului);

Același contur de implantare al picăturilor ( raza r a extremității inferioare a capilarului stalagmometrului).

Prezentarea rezultatelor experimentale

Temperatura de lucru = 0 C

Corespunzător acestei temperaturi coeficientul de tensiune superficială al apei distilate conform tabelului este:

σa = dine/cm = N/m,

iar densitatea sa absolută în raport cu aceeashi temperatură este:

ϱa = g/cm3.

Densitatea absolută a lichidului de cercetat se determină cu ajutorul densimetrelor.

În tabelul de date se trec, după cum s-a menționat, în ordinea obținerii, valorilor găsite pentru numărul de picături rezultate în cazul apei distilate și, respectiv lichidul de cerecetat. Eroarea tlerată la citire este de ± o diviziune (de pe scările gradate ale stalagmometrului). Pentru a se asigura acest fapt este necesar ca scurgerea lichidelor să se facă relativ lent, obstruîndu-se într-o oarecare măsură orificiul tubului de cauciuc de unde s-a desprins seringa după umplerea aparatului. În acest scop se foloseshte vîrful seringii.

Pentru fiecare caz în parte, numărul de picături și fracțiuni de pocături care se trec în tabel se obțin după cum urmează, dacă ținem cont de exemplu numeric menționat la tehnica de lucru:

De la diviziunea 3 la diviziunea 25 avem o picătură, deci pentru o picătură corespund 25 – 3 = 22 diviziuni;

Din volumul cuprins între diviziunea 25 din scala superioară și diviziunea 9 din scala inferioară iau naștere 45 picături;

Numărul de picături care iau naștere numai din volumul V al rezervorului stalagmometrului rezultă scăzînd din 45 numărul de picături corespunzător

volumelor suplimentare față de V, ( V s + Vi ) adică :

40 – 25=15 diviziuni superior(deasupra rezervorului +

9 diviziuni inferior (sub rezervor )

24 diviziuni suplimentare față de volumul rezervorului V

Pentru 1 picătură ........corespund.........22 diviziuni

x picături ........corespund la 24 diviziuni

x = 24/22 =1,1 picături în volumele ( V s + Vi );

corespunzător volumul V al rezervorului avem 45 - 1,1= 43.9 picături, valoarea care intră în coloanele n a sau n x după cum s-a lucrat cu apă sau lichid de cercetat.

Cu datele experimentale obținute după indicațiile anterioare se realizează tabelul de date de mai jos.

Prelucrarea matematică a rezultatelor experimentale:

Deoarece metoda folosită este o metodă indirectă pentru prelucrarea statistică se ridică exact aceleași probleme ca la punctul ( a ).

Vom utiliza aceeași metodă mai simplă, dar mai puțin corectă. Vom considera cele 10 valori ale coeficientului de tensiune superficială calculate utilizînd cele 10 perechi de numere ce indică numărul de picături pentru apa distilată și lichidul de cerecetat, ca reprezentînd 10 valori diferite ale aceleași mărimi măsurată direct.

Prelucrarea statistică se efectuiază conform metodei de prelucrare statistică a rezultatelor măsurărilor directe, realizîndu-se etapele cuprinse în tabelul de mai jos: